桐城市规划建筑设计院 安徽桐城 231400
摘要:剪力墙结构能有效的提高建筑的抗震性能和抗侧移能力,因为其自身优越的特点,被越来越多的设计者所青睐并应用到实际建筑结构设计中去。文章作者对剪力墙结构的优化设计进行了分析,以供参考。
关键词:建筑结构;剪力墙结构;优化设计
1 剪力墙结构设计的分类及特点
为了满足建筑使用者的多元化需求,在剪力墙的结构设计过程中,整个墙体往往会开有一定数量的门窗洞口,相关的理论分析和实践均证明,剪力墙上的洞口开设情况对于整个剪力墙的受力分析和荷载变形情况均有重要的影响。故基于剪力墙结构设计过程中墙上洞口的大小和数量,以及墙体和开口之间的排列方式,在建筑结构设计领域中,整个剪力墙结构一般被划分为以下四种,不同类型的剪力墙也因其截面应力分布的不同被用于不同结构特点的建筑类型。
1.1整体剪力墙
没有洞口或者是整个门窗洞口的总面积之和小于剪力墙侧面积15%的墙体,被称之为整体剪力墙,这类剪力墙的受力特点类似于整体的悬臂墙,相当于下端被固定但上端自由的竖向悬臂构件,整个截面的正应力在建筑水平荷载的作用下多呈现出直线分布的态势。弯矩图在整个墙肢的高度上一般不会产生弯点,突变情况更是较少产生。
1.2整体小开口剪力墙
整体小开口剪力墙,是基于整体剪力墙的概念所出现的,这类剪力墙往往虽然具有较小的开口,但总体上看来,整个门窗洞口的总面积之和往往大于剪力墙侧面积15%。因此,在变形及受力曲线图上,这类剪力墙往往变为弯曲形。整个正应力分布在建筑水平荷载的作用下近似呈直线分布,可认为是局部弯曲应力和整体墙弯曲应力的部分叠加。此外,虽然这类剪力墙的弯矩图,一般不会在整个墙肢的高度基础上出现弯曲点,但由于开口面积较大,故弯矩图的几点主要位置上可能产生突变。
1.3双肢及多肢剪力墙
双肢及多肢剪力墙,指的是整个墙面开有一列或是多个成列分布的洞口的剪力墙,虽然这类墙体所开洞口的尺寸较大,由于其受力情况与整体小开口剪力墙类似,故相关的概念及弯矩图也不存在较大差异。但从连梁对墙肢的约束作用来看,由于整个墙体的整体结构会因为过多开设的洞口而产生破坏,故墙肢局部会出现较大的弯曲现象,如果洞口开设过多,很有可能正应力分布的曲线图完全偏离直线分布。
1.4壁式框架剪力墙
壁式框架多用于高层建筑中,其开设的洞口数量较多且尺寸较大,整个墙肢宽度相对于洞口而言显得较小,就线刚度而言,墙肢和连梁的差异性并不大。顾名思义,这类剪力墙的受力分析与框架结构极其相似,在正应力分布中,墙肢截面往往会出现局部弯矩,在很多楼层的内墙肢中也会出现反弯点。
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2 建筑结构设计中剪力墙结构设计的优化措施
2.1优化结构布置
高层建筑剪力墙结构优化首先应当着眼于结构布置的优化。设计人员在优化结构布置时首先应当确保剪力墙是沿着主轴方向或者是其他方向来进行双向布置。这一布置在一方面能
够形成良好的空间结构抗震设计,并且还能够使两个受力方向的抗侧刚度接近,最终使其具有较好的空间工作性能。其次,剪力墙上要求开设门窗洞,因此设计人员在优化结构布置时应当针对剪力墙的抗侧刚度较大的特性来进一步充分利用剪力墙的能力,例如设计人员可以减轻结构重量并且以此基础上增大剪力墙结构的可利用空间。与此同时,设计人员在优化结构布置时应当在满足楼层最大层间位移与层高之比满足规范的基础上进一步提升剪力墙的质量与使用寿命。
2.2剪力墙中大墙肢处理
剪力墙结构设计从一定意义上而言,具有其自身结构的延伸性优势,对此施工过程中必须充分发挥其效用。这对于整体结构而言有着至关重要的影响,在一般情况下,在对剪力墙进行结构设计时,极易将其设计为高状结构的剪力墙,这种墙体结构的出现对整个墙体的质量都有影响,所以设计中,要依据实际施工需要进行设计调整,避免其此情况的出现。当墙段长度较小时在受弯处就会极易出现裂缝的情况,从剪力墙作用而言,它质量的好坏将对整个墙体配筋的支撑力起到至关重要的影响。所以,为了有效避免这种情况的出现,就要对其进行施工留洞,待施工完成后可以对其进行填筑,从而有效的将长墙变成短墙。或是在设计过程中就可以依据结构实际情况进行设计然后预留洞,通过计算的方式也能增强短墙肢的承受力。
2.3合理开设洞口
高层建筑剪力墙结构优化需要合理的开设洞口。工作人员在合理开设洞口时应当将其分成长度较为均匀的若干墙段,并且在这一过程中采用弱连梁来进行连接,这主要是为了能够确保每个独立墙段的总高度与其截面高度之比低于3,从而能够有效的避免剪力墙产生脆性的剪切破坏。其次,由于高层住宅楼通常利用楼梯、电梯及竖向管道井等部位设置剪力墙,形成相对完整的筒体。设计人员在进行抗震设计时应当尽量避免在洞口与墙边或者是在两个洞口之间形成墙肢截面高度与厚度之比小于4的小墙肢。与此同时,设计人员在设计小墙肢截面高度小于墙厚的2倍的剪力墙时应当按框架柱来进行设计,并且在这一过程中合理的控制剪力墙平面外的弯矩,从而能够在此基础上保证剪力墙平面外的稳定性。
2.4剪力墙边缘结构
剪力墙的边缘结构包括约束性边缘结构和非约束性边缘结构,在对以往的建筑分析中我们不难发现,约束性的截面剪力墙要比非约束性的承载能力好百分之四十还要多,在抗震时消耗的能量也要比非约束性的要多百分之二十。所以,在我们对建筑物进行设计时要根据建筑的要求和效果来选择用哪种边缘表结构,这样才能更好的对质量有所保证。
2.5连梁设计
高层住宅剪力墙结构中,由于开间不大或墙长较长时开洞后形成连梁,若两墙肢之间出现跨高比较小的连梁时,在计算过程中,容易产生连梁抗剪超限的情况,通常有以下几种解决方案:增大截面,可以提高连梁自身的抗剪能力,但随着连梁刚度增加相应内力也增加,其对抗剪能力的提高是有限的。在梁宽一定的情况下,通过加高连梁梁高的方法;在梁高一定的情况下,也可以通过加宽梁宽,加宽截面却对连梁刚度的贡献较小,仅为线性关系,使得抗剪力的提高值仅大于分担剪力的增加值。调整设计内力,在增大连梁截面对提高抗剪能力没有效果的情况下,可以通过人为的内力调整,对连梁刚度进行折减,控制剪力分配比,解决连梁抗剪问题。最简单的调控方法是在计算参数选取时,调整连梁刚度折减系数,仅对内力配筋计算时才能采用。在整体计算及非地震荷载作用下,连梁刚度不予折减,这时连梁应具备足够的抗弯和抗剪承载能力,以满足正常使用的要求。对于跨高比大于5的连梁,应按框架梁设计,且必须满足框架梁各项要求。也可设水平缝形成双连梁、多连梁或采取其他加强受剪承载力的构造措施,譬如设置交叉暗撑等措施来提高连梁抗剪承载力。
3 结束语
总之,剪力墙结构因侧向刚度大,侧向变形小等优点,因而被广泛应用于高层建筑中。所以掌握好剪力墙结构受力特点,把握好剪力墙结构设计的基本原则,剪力墙结构设计就会更加经济合理。因此建筑结构设计人员应对剪力墙结构设计原理有着清晰的理解,从而能够在此基础上通过不断设计实践的进行来促进我国建筑工程整体设计水平的有效提高。
参考文献
[1]谭红卫.谈建筑结构中剪力墙结构的优化设计[J].山西建筑,2016,14:60-61.
[2]崔天忠,赵晓军.关于建筑结构设计中剪力墙结构的优化设计[J].河南科技,2016,11:172.
论文作者:叶勇
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第24期
论文发表时间:2018/12/4
标签:剪力墙论文; 结构论文; 洞口论文; 截面论文; 结构设计论文; 弯矩论文; 墙体论文; 《建筑学研究前沿》2018年第24期论文;