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《四川建材雜志》2014年第四期
1優(yōu)化高層剪力墻結(jié)構(gòu)的基本原則
1.1合并水平分布鋼筋和短肢墻中的箍筋由于短肢剪力墻的截面高度比較低，對(duì)邊緣進(jìn)行約束的構(gòu)件會(huì)占據(jù)比較大的范圍。當(dāng)剪力墻兩端約束邊緣構(gòu)件長度范圍以內(nèi)設(shè)置好拉筋和箍筋后，如果再對(duì)水平分布的鋼筋進(jìn)行設(shè)置，就會(huì)導(dǎo)致箍筋和水平鋼筋重疊的情況，造成了不必要的浪費(fèi)。所以，對(duì)于截面高度比較小的短肢剪力墻來說，最好順著墻肢截面的全高設(shè)置一定數(shù)量的拉筋和箍筋。使得水平分布的鋼筋和兩端分布的邊緣構(gòu)件箍筋合并。
1.2對(duì)墻肢長度的差異性進(jìn)行控制在對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的布置方案進(jìn)行調(diào)整時(shí)，要盡可能保證墻肢長度的一致性，避免過長或過短剪力墻，從而使地震作用被剪力墻進(jìn)行平均分配。不僅可以防止部分墻肢超筋的情況出現(xiàn)，還可以根據(jù)剪力墻構(gòu)造的要求，將配筋的剪力墻作用充分發(fā)揮出來，對(duì)側(cè)向荷載進(jìn)行抵御，將整體結(jié)構(gòu)中鋼筋的作用完全發(fā)揮出來。
1.3對(duì)剪力墻的開洞進(jìn)行科學(xué)的處理在高層住宅的剪力墻結(jié)構(gòu)中，除了需要設(shè)置門窗洞外，還需要根據(jù)實(shí)際的方案和結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)洞進(jìn)行調(diào)整。站在結(jié)構(gòu)受力合理性的角度來看，要對(duì)結(jié)構(gòu)洞進(jìn)行合理的設(shè)置，盡可能降低墻肢長度之間的差異性，保證各片剪力墻可以均勻分配地震作用，并注意控制各墻肢軸壓比，使各墻肢軸壓比在豎向荷載作用下盡量靠近相應(yīng)結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)軸壓比限值，如此可避免通過連梁或框架梁來調(diào)整各墻肢端軸向變形差，使梁配筋量增大，甚至配筋困難［3］。站在優(yōu)化設(shè)計(jì)的角度來說，為了將剪力墻的作用充分發(fā)揮出來，要盡量降低結(jié)構(gòu)洞的數(shù)量，盡可能設(shè)置成長墻。
2工程剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化
2.1布置結(jié)構(gòu)的具體方案由于此高層建筑從上到下平面布置基本相同，沒有比較明顯的內(nèi)收外挑情況。豎向剛度的變化主要為混凝土的強(qiáng)度等級(jí)和構(gòu)件截面的大小，站在施工便利性的角度來看，不宜進(jìn)行多次改變，站在結(jié)構(gòu)受力的角度來看，如果每次改變變化過大，很容易出現(xiàn)剛度突變的情況［4］。為了避免同層同時(shí)改變，出現(xiàn)突變的情況，全面考慮后，按照樓層將混凝土強(qiáng)度降低和減少構(gòu)件截面大小分層錯(cuò)開，并制定了三個(gè)結(jié)構(gòu)布置方案，選出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案。結(jié)構(gòu)方案一:根據(jù)建筑功能的基本要求，按照建筑方案的洞口對(duì)剪力墻模型進(jìn)行布置，考慮到剪力墻整體抗側(cè)剛度大，在部分剪力墻設(shè)置了洞口。結(jié)構(gòu)方案二:在方案一的基礎(chǔ)上，在比較長的墻肢上設(shè)置結(jié)構(gòu)洞，并使用L型截面或T型截面取代一字型截面。結(jié)構(gòu)方案三:根據(jù)初期設(shè)計(jì)的圖紙，對(duì)剪力墻進(jìn)行布置，經(jīng)過計(jì)算證明，Y方向出現(xiàn)了比較大的位移，最大層間位移角值為1/809，所以，對(duì)Y方向的剪力墻數(shù)量進(jìn)行了適當(dāng)?shù)脑黾印Ａ硗猓瑢方向和X方向剪力墻的剛度控制在相同的范圍中，并將1～3層的剪力墻墻肢厚度調(diào)整為250mm，結(jié)構(gòu)布置更加的對(duì)稱、均勻、合理。具體的方案布置圖如圖1所示。
2.2設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析本工程使用PKPM系列軟件的SATWE模塊計(jì)算和分析了三種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，得出了樓層具體的位移比、剪重比、地震剪力、剛度比、樓層抗側(cè)移剛度、剛重比、周期比、軸壓比、層間受剪承載力比等，本文主要對(duì)樓層的位移比、抗側(cè)移剛度、地震剪力、剪重比和周期比進(jìn)行介紹。
2.2.1樓層的位移比經(jīng)過分析證明，三個(gè)方案樓層層間位移都在1/1000以下，都達(dá)到了《高規(guī)》的相關(guān)要求。在方案一中，由于剪力墻的剛度大、數(shù)量多，所有X、Y方向出現(xiàn)層間位移角都不大，最高的層間位移角分別為1/1273和1/1283。在方案二中，X，Y方向?qū)娱g位移角的最高值分別為1/1036和1/1026。剛度達(dá)到了規(guī)范規(guī)定的基本要求，且X方向和Y方向比較接近。方案三樓層間的位移比最高值分別為1/1074和1/1007，在規(guī)范規(guī)定的限值內(nèi)，和其他的方案相比，此方案整體的混凝土強(qiáng)度等級(jí)低于其他方案一個(gè)等級(jí)，具有良好的經(jīng)濟(jì)性［5］。而且這三個(gè)方案在X方向和Y方向上的位移比都在1.2以下，在規(guī)定的范圍以內(nèi)，證明這三種方案平面抗扭剛度較好，有著良好的規(guī)則性。
2.2.2樓層抗側(cè)移剛度比經(jīng)分析證明，方案一中的剪力墻是根據(jù)建筑具體的使用要求進(jìn)行布置的，有比較大的剛度，而方案二由于在墻肢比較長的剪力墻上開了一些洞口，導(dǎo)致剪力墻的剛度降低。方案三由于對(duì)X方向的剛度進(jìn)行了調(diào)整，剛度要略低于方案二，而在Y方向，剛度沒有明顯的差異性。在剪重比和層間位移角限制等指標(biāo)都符合規(guī)定要求的情況下，選擇方案二或者方案三會(huì)更好。
2.2.3剪重比和地震反應(yīng)力X、Y方向的地震反應(yīng)力如圖2所示。因?yàn)榉桨敢挥斜容^大的剛度，因此地震作用剪力相對(duì)來說也比較大，而方案二和方案三由于剛度降低，地震作用剪力相對(duì)來說也比較低，因此方案三更好。而且由于方案一的剛度高，導(dǎo)致周期小，且具有一定扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，在這三個(gè)方案中，周期比為0.71～0.81都不高，但是相比之下方案三最低。綜上所述，墻肢的數(shù)量和長度對(duì)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度影響比較大，通過在墻肢上合理開設(shè)洞口，可以有效地降低結(jié)構(gòu)剛度的影響。通過對(duì)周期比、層間位移角、結(jié)構(gòu)剛度等方面的因素。最終決定方案三為最優(yōu)的優(yōu)化方案，方案二為備選方案。
3結(jié)語
通過對(duì)高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原則進(jìn)行探討，在設(shè)計(jì)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，制定了三種優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案，并使用SATWE設(shè)計(jì)模塊計(jì)算并分析了這三種結(jié)構(gòu)方案，得出了具體的位移比、地震剪力、剪重比、剛度比等數(shù)值。由于方案三在材料的使用量、抗震受力性能等方面均有明顯的優(yōu)勢(shì)，本工程選擇方案三對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。此工程在建設(shè)后，經(jīng)濟(jì)效果良好，在保證質(zhì)量的基礎(chǔ)上，有效地節(jié)省了投資，值得同類工程借鑒參考。
作者：張東海單位：淮北市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司