高层建筑中的剪力墙结构体系及问题的处理
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇高层建筑中的剪力墙结构体系及问题的处理范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
[提要] 剪力墙结构作为高层建筑中的主要结构形式，被广泛运用于现代高层建筑。针对高层剪力墙结构设计中存在的部分常遇问题提出了解决方法，本文仅就高层剪力墙结构设计中的结构扭转、角窗、连梁、约束边缘构件的处理方法提出一些个人看法, 仅供设计者参考。
[关键词] 高层建筑 剪力墙转换层设计墙体稳定质量预控边缘构件
随着高层建筑的日益增多, 剪力墙结构也成为了高层住宅的一种普遍结构形式。 新规02范的颁布实施, 对高层建筑的结构设计提出了更多的要求, 也使高层剪力墙结构的设计遇到了许多新的特殊的问题。例如某大厦, 由2幢地下3层 地上26层的公寓组成。 ( 图1)
大厦地下室为车库和设备用房, 其中地下3层暂时可作为 6 级防空地下室。 1层为大堂、 停车库, 2~ 18层为公寓, 19~ 26层为跃层式公寓。业主要求公寓设计做到房间内基本不露梁 、柱。由于功能和建筑标准已确定, 结构体系几乎无选择的余地, 只允许用下部为大空间上部为剪力墙的框支- 剪力墙体系, 转换层结构平面见图2 。按 7度抗震设计, II类场地。
剪力墙结构中，剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置；抗震设计的剪力墙结构，应避免仅单向有墙的结构布置形式。剪力墙的平面布置应尽可能均匀、对称，尽量使结构的刚度中心和质量中心重合，以减少扭矩。内外剪力墙应尽量拉通、对直。对一般 L由于框支- 剪力墙结构上、 下刚度突变, 构件不连续, 传力复杂, 在地震作用下框支层将产生很大的内力和塑性变形, 抗震性能差, 易造成震害;转换层应力复杂, 材料耗用量大, 自重大, 施工复杂, 造价高,。但框支- 剪力墙结构可满足建筑物上、 下不同功能的组合。 建筑方案确定后, 为改善抗震性能, 减轻自重并节省投资, 本工程结构设计时考虑以下问题：
1. 上部剪力墙体系
1.1剪力墙连梁设计方法
高层剪力墙结构考虑地震作用上机计算时,往往会出现连梁超筋超限的情况。这主要是部分连梁跨高比较小,刚度较大,造成连梁剪力过大,致使连梁抗剪(能力不能满足规范对连梁剪压比的限值 在实际工程的计算中出现一部分连梁超限而另一部分连梁不超限的情况 。当连梁剪力超过其剪压比限值,连梁将产生脆性破坏,若人为限制梁端的连梁抗弯承载力,进行塑性再调幅,则连梁梁端将产生较大裂缝,变形增大,形成塑性铰,其剪力值将达不到按弹性计算的剪力值。这时其他未超限的连梁的剪力也将增大,可能出现新的超限连梁。目前常用的计算程序是按弹性方法分析内力的,且按弹性方法计算完毕,其内力则不再进行重新分配,因此不能很好地反映实际情况,如果进行一次计算后找出超限连梁,将此连梁所能承担的最大剪力来确定弯矩重新进行计算,再找出其它超限连梁,反复计算多次,直至没有超杆件为止,应该是比较理想的。但目前常用的计算程序还不能胜任此项工作。当然,对连梁内力进行塑性调幅不宜过大,否则小震时,就会有较多裂缝,当地震力较大时,可考虑连梁仅部分参加工作,若该连梁破坏时对承受竖向荷载无明显影响,这时一般可采用减小连梁截面高度的设计方法。
1.2减轻结构自重
减轻剪力墙的重量, 可减少建筑材料的用量, 同时减小垂直荷载和水平地震力,更进一步减小结构内力, 改善工程造价, 特别是基础和转换层的混凝土和钢材用量。
1. 1.1 楼板
楼板覆盖整个建筑面积, 减小楼板厚度，相当于减小混凝土和钢材用量。，采用把楼板厚度控制在满足板的厚度与计算跨度要求的比值, 并满足防火和预埋管线要求的较小值即 100mm, 以取得最低的混凝土消耗。
1. 1.2 剪力墙
在考虑楼板的同时亦考虑剪力墙混凝土的消耗最少 。按开间扩大剪力墙的间距, 将部分开间的墙体用轻质隔墙取代, 能有效地减少混凝土用量 ，为不增加板的跨度, 使楼板厚度100mm得以实现。 在隔墙处设置梁由于居住建筑开间和进深一般都不大, 取梁宽与隔墙等厚, 以免露梁。
为减轻自重, 剪力墙厚度分 200mm及 250mm两种, 沿高度分两次变化, 即墙厚 250mm减到 200mm, 墙厚200mm减到 160mm。
1.2减小刚度
减小剪力墙刚度,对提升结构的抗震性能有很大的意义。
1.3 增大剪力墙间距
按开间增大剪力墙之间的距离距, 不但能减少混凝土用量,也有利于减小刚度。
2 转换层设计
2.1减轻转换层自重
云南地区此类建筑物较多, 但它们不考虑抗震能力, 而注重综合的经济效益, 对结构经济指标控制不标准,故一般都采用厚板为转换层 。厚板材料耗用量大, 结构经济指标差, 因其厚板重量比较大, 加上地震作用大,使框支内力增大 。本工程设计时从减轻自重出发, 尽管上部剪力墙方向复杂, 仍优先考虑梁系转换 。梁高 2m,梁宽一般为 1. 2m 、1. 5m及 1. 8m。
2.2加强梁的抗扭刚度
根据计算结果显示梁的扭矩大时, 配置纵向抗扭钢筋及横向抗扭箍筋均难满足工程要求, 所以该工程采用部分封底, 形成箱形, 转换层上 、下板厚度为200mm。
2.3加强转换梁与中筒的连结
转换梁与中筒连接处负弯矩大, 钢筋锚固构造也不太合理, 且转换梁断面与筒体壁厚500mm显得不很协调, 故实行在转换层的高度范围筒体设置钢筋混凝土箍, 以加强此处连接与厚板相比, 该工程的部分箱形转换层挖空率约为 27%, 对节省混凝土的用量和减小地震力均有十分重大的意义。
3 框支层设计
框支- 剪力墙结构的薄弱部位在于框支层, 故加强剪力墙结构的延性, 对提高抗震性能有非常大的帮助。
3. 1增加墙量及刚度
本工程建筑功能要求很大空间, 不可以设置更多的落地剪力墙,在不影响功能的情况下, 争取中筒四角加设T形落地墙体, 以增加框支层墙量及刚度。
3.2采用钢纤维混凝土，提高抗震性能
为提高框支层抗震性能, 提高其延性, 国内已有工程采用型钢混凝土结构及配有构造纵向钢筋及螺旋箍筋的钢筋混凝土柱。 本工程框支层竖向构件包括墙和柱, 采用钢纤维混凝土, 1m 混凝土内钢纤维掺量为 80kg, 可提高抗拉强度设计值约 35%,提高抗剪强度设计值约 50% 除强度提高外, 钢纤维混凝土与普通混凝土同时使用, 不需要采取特殊的构造措施, 因此可用于设计需要加强的部位, 而不需要的部位可以不用, 具有较大的灵活性。 本工程地下 3层, 由于地下室墙多, 抗震性能较好, 不必采用钢纤维混凝土, 但为了有一过渡,钢纤维混凝土用于地下1层至转换层顶面的竖向构件， 施工时注意钢纤维应搅拌均匀, 避免结团; 采用商品混凝土时, 也可以委托搅拌站提供钢纤维混凝土。
钢纤维混凝土，用于建筑结构, 目前国内尚不多见, 本工程设计尚处于摸索阶段, 由于应用的灵活性以及可提高强度改善抗震性能, 其应用前景是非常广阔的。
框支- 剪力墙结构抗震性能差,造价高, 应尽量避免采用 但它能满足现代建筑不同功能组合的需要, 有时结构设计又不可避免此种结构型式, 对此应采取措施积极改善其抗震性能, 尽可能减少材料消耗, 以降低工程造价。
4 质量预控措施
4.1要素控制
影响测量精度质量的因素主要有人员 、器具 、方法 、操作和程序管理等5个方面 。人员要持证上岗, 使用经检定和校检的测量器具, 测量方法要科学、 合理, 操作规范, 按程序进行管理,对各要素进行预控。
4.2准备控制
做好测量前的各项准备, 是测量质量的基本保证 。应认真审核设计施工图和有关资料, 按选定的测量方法进行内业计算; 测量计算做到依据正确, 方法科学, 计算有序, 步步校核,结果可靠; 外业观测成果是计算工作的依据, 计算成果要经两人独立核算后方可实施; 测量前应检校现场控制桩和水准点, 保证位置 高程准确; 测设前应检校测量仪器和用具。
4. 3过程控制
要确保测量工作在受控状态下进行。 定位、 放线工作须执行经自检 、互检合格后, 将成果资料送报有关主管部门验线的工作制度 。实测时要做好原始记录， 对测量记录的要求是原始真实, 数字正确, 内容完整, 字体工整 。记录人员应随时校对观测所得数据是否正确 。按企业《过程控制程序》，《不合格品的控制程序》 和《检验测量》和试验设备控制程序》等文件执行。
4. 4检验控制
检查验收测量成果时应先内业后外业现场, 验收的精度应符合规范标准要求。 必须独立验线 ，检查验收部位应是关键环节与最薄弱部位。
5.1对结构扭转影响的处理
《高规》 4.3.5条规定:“结构平面布置应减少扭转的影响。在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍;B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及本规程第10章所指的复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.4倍。结构扭转为主的第一自振周期Ti与平动为主的第一自振周期TI之比，A级高度高层建筑不宜大于0.9, B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及本规程第10章所指的复杂高层建筑不宜大于0.85 。”
对于位移比超限的处理方法，可采取的方法有:调整最大位移发生处的附近洞口位置及尺寸，或最大位移发生处的墙肢厚度，以增加该处的刚度，减小位移。对于周期比的超限，可采取的方法有调整质心两侧剪力墙的位置及墙肢长度，使其质心与刚心尽量接近;尽量加大周边剪力墙,提高抗扭刚度，减少核心筒刚度，削弱结构侧移刚度，从而加大第一平动周期;其轴线通过或靠近结构刚心的剪力墙对结构抗扭刚度贡献不大，但对侧移刚度贡献较大，也必须削弱。
5. 2对角窗的处理
众所周知:高层建筑的角部在地震中是最薄弱的部位，但有些时候建筑为了立面效果或为了开发商房子好销售，在高层建筑的角部设置角窗，对此类情况应采取以下措施:提高角窗两侧墙肢的抗震等级，并按提高后的抗震等级满足轴压比限值的要求，如不满足宜加厚墙肢;角窗两侧的墙肢应沿全高均按《高规》5.5.4条要求设置约束边缘构件;抗震计算时应考虑扭转藕连影响，转角窗房间的楼板宜适当加厚，宜采用双层双向配筋;加强角窗窗台的连梁的配筋与构造。
5.3 对剪压比超限的连梁处理
剪压比超限问题在剪力墙中是很常见的，尤其是在高烈度区，经常是计算完后多处洞口上连梁超限。处理力法是一般先减连梁高度，以减少连梁吸收的地震力，如果仍然超筋，说明该连梁两侧的墙肢过强或者是吸收的地震力太大。此时，想通过调整使计算结果不超筋是困难的，也是没有必要
的。就好比说，它原来没有这个能力，你非要让它有这个能力，这当然很困难。从连梁的作用来说，首先它是在两个墙肢之间传递内力，对墙肢起到约束作用。其次它是在地震来临时充当第一道防线，起到耗能作用。因此，对于减少连梁的高度仍然超筋连粱（指抗剪超筋)的设计原则应该是这样的:
首先按该连梁截面能承受的最大剪力(高规JGJ3- 2002 7.2.23)计算连梁抗剪箍筋。 根据该剪力值计算出连梁端部弯矩(为简化起见，假设反弯点在中点)，并作适当折扭（例如，一级乘以0.8），然后根据该弯矩值计算连梁纵筋。这样做的目的是为了保证连梁的强剪弱弯，故意让连梁先出现塑性铰。当多遇地震来临时，连梁端部弯矩很快达到极限抗弯承载力，出现塑性铰，端部弯矩不再增加。由于弯矩与剪力之间的导数关系，连梁中的剪力也不再增加。而我们在设计的时候，已经保证了在端部弯矩达到极限抗弯承载力的情况下，抗剪能力是有富余的，所以此时抗剪不会破坏。在这种情况下，连梁仍能保证对竖向荷载的承载能力，同时对墙肢有一定的约束能力。并具有变形耗能能力，破坏具有一定延性，基本上满足设计对连梁的基本要求。唯一与计算不符的是，连梁对墙肢的约束作用比计算值要大，其结果是墙肢的内力比计算值要大，可以在电算时对此类墙肢的地震力放大系数进行调整，按调整后的电算结果适当加强相邻墙肢的配筋。
5.4约束边缘构件阴影区的约束钢筋配置力法
方法一:阴影部分的约束钢筋以箍筋为主，箍筋的长边不宜大于短边的3倍，相邻两个箍筋以互相搭接，搭接长度为1/3箍筋长边的长度。其它钢筋可用拉筋补齐，但拉筋端部应做1350弯钩钩住竖向与水平筋，弯钩端部平直长度不小于10d。
力法二:阴影部分的约束钢筋也可采用箍筋与墙体水平分布筋共同工作的方法（如下图)。即利用有可靠锚固的水平分布筋作为部分约束边缘的箍筋，在竖向水平间隔内另增设上述方法一的互相搭接的箍筋，当利用墙体水平分布筋作为约束箍筋时，水平筋之间应增设拉筋，拉筋端部应做1350弯钩钩住竖向与水平筋，弯钩端部平直长度不小于10d。
6结语
以上为本人对高层剪力墙结构一些常见问题处理方法的个人实践总结，希望能对各位同行在处理类似问题时提供参考。