剪力墙结构经济性设计的技术措施

剪力墙结构经济性设计的技术措施 一、剪力墙结构布置1.剪力墙结构优缺点剪力墙结构刚度大，整体性好，用钢量较省。在高层住宅、旅馆等居住性建筑中，居室和客房均为小间，分隔墙较多，采用现浇剪力墙结构，可以将承重墙与隔墙合二为一，相对来说比较经济。另外，采用现浇剪力墙结构，室内较框架结构简洁，没有露梁及露柱现象，外形美观，便于室内布置。但是，也有一些缺点。a.剪力墙结构抗侧刚度大，引起较大地震反应，使得上部结构和基础费用增加。b.由于砼墙体较多，使得建筑物重量增加，这也同样引起较大地震反应，造成浪费。c.剪力墙结构中各墙肢轴压比往往较低，使得各墙肢的承载能力得不到充分发挥。d.剪力墙结构中墙体多为构造配筋，配筋率较低，使得结构延性较差。在高层剪力墙结构设计中，既要发挥它具有足够的抗侧能力等优点，又要改进其工程费用较高的缺点，成为这一个关键问题。为此， 根据建筑物的高度不同，提出如下几种改进的现浇剪力墙结构形式，并通过控制结构水平位移和底部剪力系数这两个因素来满足设计要求。2.合理剪力墙结构方案a.层数较少(如20 层以下) 的高层住宅, 可采用短肢剪力墙结构体系。20 层以下的高层住宅采用传统的现浇剪力墙结构,各墙肢轴压比计算值往往较小,墙体配筋为构造配筋,墙体承载能力没有充分发挥,工程费用偏高。 这时, 可采用一种改进的短肢剪力墙结构,其具体做法是:利用位于建筑平面中部抗侧刚度很大的楼梯间或电梯间做为一个抵抗水平力的抗剪核心筒,这个核心筒由多片剪力墙组成,用以抵抗大部分由风荷载和地震作用引起的水平力。一般情况下,这部分剪力墙不做成短肢剪力墙,当某片剪力墙的长度超过8 m 时, 中间开一个结构洞,使其成为双肢剪力墙。 除核心区外的其它各片剪力墙, 视其所处位置不同, 将其分割成若干个“L”型、“T”型或“一”字型短肢剪力墙。 这些短肢剪力墙的墙肢长度一般为46 bw ( bw 为剪力墙厚度) ,但尽量避免出现长度小于3.5 bw 的小墙肢,当出现时,应加强小墙肢配筋。 建筑平面上这部分短肢剪力墙主要承担结构的竖向荷载,各墙肢由连梁连接,协同工作,使整个结构形成一个良好的抗震体系。短肢剪力墙体系是由传统的全剪力墙体系通过开设一定数量的结构洞形成的,若其它专业不需要这些洞口,可用砖或加气块砌实。 从受力性能上分析,一般仍属大开口剪力墙,仍能保持较好的抗震性能。 由于这些短肢剪力墙断面较小,线刚度偏低,因此,对某些有较大断面的连梁需要采取一些措施, 加大短肢墙与连梁的线刚度比, 以满足“强柱弱梁”的抗震设计原则。 同时,也增大了连梁的跨高比,避免连梁发生剪切破坏,可采取以下两种措施:窗台墙改用砖砌,使得连梁刚度降低;在连梁中间设一道水平贯穿缝,将连梁一分为二。在7 度区,20 层以下的高层住宅采用短肢剪力墙结构,结构顶点位移、周期及底部剪力一般均可控制在合理范围内。采用短肢剪力墙结构, 由于合理地将一部分钢筋砼墙置换成砖墙或其它砌体,使得结构自重减轻,并降低了偏大的结构刚度,结构地震反应减小,工程费用降低,还增加了结构的延性, 使得结构的抗震性能提高,此外,墙体的保温性能也有所改善。 工程费用的降低主要来自于以下几方面:其一是将一部分钢筋砼墙置换成砖墙或其它砌体,由于砖墙比钢筋砼墙造价低,因而节省了工程费用;其二是结构自重减轻,使得上部结构构件断面减小,配筋降低,基础费用也下降;其三是结构刚度减少,由水平面力引起的结构反应也减小,大大降低了上部结构和基础的工程费用。 在7 度区,20层以下的高层住宅采用短肢剪力墙结构,综合起来,可节省工程费用5 %10 %。b.框支剪力墙结构中,上部剪力墙结构可采用短肢剪力墙体系。底部大空间剪力墙结构系指全落地剪力墙和框架支承的剪力墙协同工作的结构体系,这种结构体系在底层为商店上层为住宅或旅馆的建筑中经常被采用。 但是这种体系的抗震性能不好,因为上层剪力墙结构抗侧刚度很大,而下层框架剪力墙刚度较小,结构刚度沿竖向变化悬殊,有时达45 倍,使得结构在水平力作用下易产生应力集中和变形集中,而高规第2。 3。 1 条规定,下层的刚度应不小于上层刚度的70 %。 在实际工程设计中,为了满足这一要求,常采取加大下层核心筒剪力墙的厚度、柱子断面或砼标号等,提高框支层刚度,减小上下层刚度比,如此则增加了工程费用。在框支剪力墙结构中, 为了减小上下层的刚度比,不采用加大下层刚度的方法,而采取减小上部剪力墙体系的刚度即改用短肢剪力墙体系, 经济效果就十分明显了。 改进后保留的短肢墙的数量主要取决于结构刚度的要求,要使结构的顶点位移和层间位移满足规范要求,并使底部剪力系数在合理范围内。c.层数较多(20 层以上) 的高层住宅,最好仍采用传统的全现浇剪力墙体系。在层数较多的高层建筑中, 如采用短肢剪力墙体系,就使得结构较柔,结构顶点位移和层间位移不一定能满足规范要求,底部剪力系数也偏低,结构趋于不安全。 但是,在有些情况下若采用传统全剪力墙体系,结构刚度计算值还稍稍偏大时,可将较长的墙肢开设结构洞,或将窗台改为砖或其它砌体等措施加以微调。二、高层建筑设计中控制结构经济性的思考1.重视建筑物的经济高度在高层建筑中，建筑层数的增多，水平荷载也成为结构设计的控制因索。而水平荷载对结构产生的倾震力矩，以及由此引起的竖向构件产生的轴力与建筑物高度的平方成正比。此外，作为水平荷载的风载和地震作用，其数值也随着结构动力特性的不同，变化较大，因此对高层建筑结构的造价影响较大。据相关资料分析：(1)建筑物造价与高度呈二次方关系，建筑物高度增加，造价亦增加；(2)随着层数增多，竖直荷载对造价影响不大，因此如能降低层高，则能在造价增加不多的情况下获得更多的使用面积；(3)高层建筑结构的侧移有时也对造价构成影响，随着高度增加，侧向变形迅速增大，其与建筑物高度的四次方成正比，与构件刚度成反比，为使建筑结构在正常使用状态下具有足够的刚度避免产生过大的位移而影响结构的承载力、稳定性要求，同时考虑经济因素的影响，高层建筑混凝土结构技术规程中给出了各种结构体系的混凝土高层建筑最大适用高度，在设计中必须重视；(4)建筑物层高对工程总造价也有影响，如高层建筑，基础设计荷载因层高的加大会显著增加，与此同时，采暖、空调、卫生、电气、垂直管道的长度及管径、垂直构件的抹灰装饰量、墙体脚手架及垂直构件模板的数量也会相应增加。反之，建筑如考虑保温隔热的需要，层高的降低则更有利于满足节能的要求。2.重视剪力墙结构设计剪力墙结构体系因具有整体性好、布置灵活、刚度大、侧向变形小、抗风与抗震性能好等特点在高层建筑特别是住宅建筑中被大量采用，因此，在设计中如何控制好该结构体系工程费用较高的缺点，降低高层建筑剪力墙结构的造价和材料消耗量，尤为重要。笔者建议如下：(1)做好结构平面布置。首先，结构布置应注意考虑能削弱地震反应、平面刚度力求对称、竖向力求等强，合理确定其抗侧刚度中心位置，使水平合力点通过或靠近中心，避免产生扭转影响。其次，避免采用复杂结构，以免增大设计工作量，给施工造成困难，增大投资；(2)合理选择剪力墙结构形式。根据建筑物高度的不同，合理选择高层建筑剪力墙结构形式，并通过控制结构水平位移和底部剪力系数这两个因素来满足设计要求，以降低工程造价。如，层数较少(如20层以下)的高层住宅，采用传统的现浇剪力墙结构时，各墙肢轴压比计算值往往较小，墙体配筋为构造配筋，墙体承载能力没有得到充分发挥，工程费用偏高，若适当的采用短肢剪力墙结构，则可节省工程费用5%10%；(3)尽量减小剪力墙厚度。对于剪力墙结构，剪力墙的厚度取值不仅显著影响结构的自重、结构质量大小，还直接影响到工程造价。若剪力墙厚度增加，虽然结构抗侧力的能力提高，同时结构所承受的地震力也加大，二者不一定成正比。因此，在设计中要注意合理地尽量减小剪力墙厚度；(4)严格控制剪力墙配筋率。根据GB500102010混凝土结构设计规范，在一、二、三级抗震等级的剪力墙中，竖向和水平分布钢筋的最小配筋率均不应小于0.25%；部分框支剪力墙结构的剪力墙底部加强部位的竖向和水平分布钢筋配筋率不应小于0.3%，这在高层或者较长的剪力墙结构中应该是合理的，但对于低矮、短小的剪力墙，其水平筋的配筋率应适当减小；墙的竖向最小配筋率应该包括边缘构件中的钢筋，同时应注意防止竖筋过多使墙的抗弯强度大于抗剪强度，对抗震不利。3.重视基础结构设计基础工程的投资约占工程总投资的20%30%，基础设计的重要性可见一斑。一般高层、小高层建筑考虑基础埋深的要求1/18建筑物高度，通常设置地下室采用桩筏基础。因此，如何对桩进行合理选型，将对整个地下室设计的经济性影响极大。例如某一工程，上部十八层带一地下室，根据勘察报告，采用400预应力管桩，可选桩长有桩长25m，单桩承载力特征值Ra=900kN，桩长34m，单桩承载力特征值Ra=1300kN。采用25m桩需要290根，采用34m桩需要200根。从桩本身比较两种方案，总的桩延米数量相当，但采用25m桩为满樘布置，筏板厚需1200mm，而采用34m桩为墙下布置，筏板可减至900mm，经济性明显。因此，基础选型应作方案比较，才能选定经济合理的方案。而对于筏板厚度的取值，则应考虑桩冲切，角桩冲切，墙冲切及板配筋等多方面的因素。另外，筏板长度的设置也要注意，由于考虑地下室的使用合理性，常规采用设置后浇带来解决底板超长引起的收缩及温度裂缝，后浇带的作用是明显的，但也给施工带来不少麻烦，甚至由于处理不当而引起后浇带漏水及裂缝。而有些高层，长宽均达100m以上，中间就设置几条后浇带，也没有其他措施，是不妥当的，设计中必须注意。4.重视建筑形式的优化建筑平面及竖向形式的优化比尺寸优化更有意义。首先，建筑物平面形式越简单，用钢量就少。每层面积相同或相近，则外墙长度越大的建筑其用钢量就越大，平面形式是否规则不仅决定了用钢量的多少，而且可以衡量结构抗震性能的优劣。其次，建筑物竖向体型规则和均匀，刚度没有突变，抗侧刚度从上而下均匀变化，其受力均匀，用钢量就小，反之则大。因此，在高层建筑的一个独立结构单元内，宜使结构平面布置简单、规则，刚度和承载力分布均匀，平面长度不宜过长，突出部分长度不宜过大。高层建筑的竖向体型宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收，结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，不应采用竖向布置严重不规则的结构。因此，结构设计人员一定要注重概念设计，在满足美观、适用的前提下，尽可能使建筑结构的平面布置和竖向布置简单、规则和均匀。那么结构体系就会具有更合理的刚度和承载力分布，从而避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中。只有这样，到初步设计和施工图设计阶段过程中对截面尺寸的优化才会有实质性的意义。5.合理选用建筑材料材料选择不同，工程直接费不同，总造价不同。设计阶段合理选择建筑材料，控制材料单价或工程量，是控制工程造价的有效途径。筑材料选用应尽量选用高强度的建筑材料，如钢材宜优先选用三级钢。HPB300、HRB335和HRB400，这三种钢材的价格比较接近，但它们的抗拉强度值是270:300:360=1:1。11:1。33，可见采用高强钢筋的性价比高。混凝土宜用C