摘要:對于現(xiàn)階段開發(fā)量最大的高層剪力墻住宅設(shè)計，研究了從剪力墻墻體及梁板構(gòu)件布置、結(jié)構(gòu)合理計算分析及調(diào)整方法、結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施優(yōu)化等多方面控制結(jié)構(gòu)成本的方法，并對計算分析中連梁超筋的處理、含少量框架柱剪力墻結(jié)構(gòu)的剪力調(diào)整等問題提出了自己的看法。

　　關(guān)鍵詞: 剪力墻及梁板結(jié)構(gòu)布置;合理計算分析;構(gòu)造措施優(yōu)化;混凝土用量;用鋼量;結(jié)構(gòu)用量成本控制

　　Abstract: for the present the biggest high-rise shear wall back hurriedly residential design, from the shear wall wall and the beam plank layout, reasonable structure calculation component analysis and the adjustment method, structural optimization measures many aspects such as the method of cost control structure, and the calculation and analysis of LiangChao jin the processing, even with a small frame shear wall structure column of the shear and adjust the author puts forward his own ideas.

　　Keywords: shear wall beam slab structure and layout; Reasonable calculation analysis; Structural measures optimization; Concrete consumption; Steel quantity; Structure dosage cost control

　　中圖分類號：TU398+.2 文獻標識碼：A 文章編號：

　　引言

　　隨著國家房地產(chǎn)政策和住宅產(chǎn)業(yè)化政策的推進，土地的稀缺性越來越突出，建筑均向高空化發(fā)展。高容積率的高層住宅小區(qū)也成為量大面廣的普遍的住宅形式。而在高層住宅的各類結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟指標性、抗震性能均比較突出，因而成為高層住宅中最主要的結(jié)構(gòu)形式。地產(chǎn)開發(fā)商從經(jīng)濟角度出發(fā)，為了控制成本，多數(shù)會在設(shè)計合同或合同附件里提出結(jié)構(gòu)用鋼量及混凝土用量的上限要求。如何在確保在保證結(jié)構(gòu)安全及實現(xiàn)建筑使用功能的前提下，將有限的結(jié)構(gòu)材料及資源配置到能充分發(fā)揮其作用的關(guān)鍵部位，在不降低結(jié)構(gòu)安全冗余度的情況下優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，做到安全可靠、技術(shù)可行、經(jīng)濟合理成為結(jié)構(gòu)工程師重點關(guān)注的區(qū)域。

　　1 結(jié)構(gòu)布置

　　1.1剪力墻布置

　　根據(jù)經(jīng)驗統(tǒng)計，在高層剪力墻住宅標準層單位面積含鋼量中，剪力墻墻身用鋼量約占總用鋼量的40%~65%，剪力墻邊緣構(gòu)件用鋼量約占30%~50%(該統(tǒng)計數(shù)據(jù)為8度抗震設(shè)防區(qū)北京的數(shù)據(jù)，以下同)，因此剪力墻布置方案的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性指標。剪力墻布置的基本原則是：合理減少剪力墻數(shù)量，在滿足建筑條件下合理控制剪力墻長度，做到剪力墻布置均勻，且各墻肢布置時應(yīng)考慮合理減少減少邊緣構(gòu)件，以期通過布置較少的抗側(cè)力構(gòu)件獲得滿足規(guī)范要求的抗側(cè)、抗扭剛度。具體措施如下：

　　(1)控制剪力墻墻肢長度(長度≤8m)，布置均勻，少短肢剪力墻

　　仔細研究建筑條件，在保證豎向及水平承重情況下，要精心選擇對結(jié)構(gòu)承受水平及豎向荷載有利的隔墻位置剪力墻，盡量拉大剪力墻的布置間距，把剪力墻間距控制在4.5m~6m，避免在較小的間距內(nèi)布置多道剪力墻。嚴格控制段肢剪力墻數(shù)量，通過加長剪力墻墻肢長度，減少剪力墻數(shù)量，使結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度增加，邊緣構(gòu)件數(shù)量減少，且由于墻間距拉大，增加了建筑平面布置靈活性。為了使剪力墻實現(xiàn)彎曲破壞的延性破壞模式，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(簡稱高規(guī))7.1.5條規(guī)定墻長不宜大于8m。實際上影響剪力墻破壞模式的兩個主要因素是剪跨比和軸壓比，只要剪跨比大于2，且軸壓比滿足規(guī)范限值，就能夠?qū)崿F(xiàn)延性的彎曲破壞。對高層剪力墻，即便是墻長大于8m，剪跨比一般也會大于2，即能滿足延性破壞的需求。但大需要注意的是，在一個結(jié)構(gòu)單元中，布置剪力墻時應(yīng)布置均勻，避免個別墻肢為長墻，其余均為短墻。因為如果個別墻肢較長而其余墻肢較短時，長墻肢承擔(dān)總地震力的額度會較大，當其在超過設(shè)防地震的作用下首先發(fā)生破壞時，其余結(jié)構(gòu)不能起到第二道抗震防線的作用，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)因個別長墻的破壞而其余構(gòu)件尚未屈服而發(fā)生結(jié)構(gòu)安全問題。所以在高層剪力墻結(jié)構(gòu)中，長墻的脆性破壞不是主要的，內(nèi)力集中在個別剪力墻上的不良后果反倒應(yīng)引起足夠重視。通常情況下我們可通過在長墻中部設(shè)置洞口弱連梁方式分為兩個短墻肢，但對于經(jīng)濟性指標非常嚴格的設(shè)計項目來講設(shè)置洞口會增加暗柱數(shù)量及施工難度從而增加工程成本。為此提出以下處理方式供設(shè)計人員參考：1)若長墻位于結(jié)構(gòu)中部樓電梯間等核心筒附近，其開洞與否對周期比及位移比(即結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng))影響較小時，可在結(jié)構(gòu)分析中建立有洞及無洞兩種模型分別進行分析，施工圖設(shè)計時不設(shè)置洞口，長墻按無洞模型配筋，其余構(gòu)件按有洞模型配筋;2)當一個方向的長墻不少于四道且均勻布置時，可按整截面墻進行結(jié)構(gòu)分析及截面設(shè)計;3)其余情況應(yīng)按設(shè)置洞口弱連梁方式處理。這樣處理，既能保證結(jié)構(gòu)安全，又盡可能地減少造價。

　　(2)強周邊，弱中部

　　剪力墻盡可能布置在結(jié)構(gòu)周邊外圍護墻位置，必要時可利用房間窗臺設(shè)置高連梁以加強剛度。正常情況下，堅決避免在周圈維護墻上開設(shè)結(jié)構(gòu)洞口。在結(jié)構(gòu)中部宜減少剪力墻的布置量(如中部樓電梯間附近)，以便于提高主體結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，控制結(jié)構(gòu)的周期比與位移比，周時有利于建筑外墻防水。

　　(3)暗柱布置多L形、T形、十字形墻肢，少復(fù)雜形狀轉(zhuǎn)折

　　在布置剪力墻時，應(yīng)考慮剪力墻連續(xù)轉(zhuǎn)折及小墻垛布置對邊緣構(gòu)件的影響，減少暗柱數(shù)量及避免設(shè)置不必要的大暗柱，因墻體轉(zhuǎn)折處必須設(shè)置暗柱。電梯并處往往是大暗柱設(shè)置區(qū)，為此應(yīng)盡量避免在墻肢中部布置短橫墻及小墻垛。

　　(4)結(jié)構(gòu)體系布置多連續(xù)，少半框

　　應(yīng)盡量將結(jié)構(gòu)兩個方向的剪力墻通過連梁或框架梁連成整體，形成貫穿整個結(jié)構(gòu)寬度或長度的抗震結(jié)構(gòu)，避免獨立墻肢或半框架墻肢出現(xiàn)，這有利于增加結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度，從而以較少的剪力墻布置量來滿足層間位移角限值要求。

　　(5)沿高度均勻變化

　　正常情況下，剪力墻厚度應(yīng)沿結(jié)構(gòu)高度均勻變化，高層剪力墻結(jié)構(gòu)不宜在底部為適應(yīng)建筑凈面積及豎向承重的要求布置大量200mm厚剪力墻，導(dǎo)致軸壓比偏高，在上部為控制成本減少剪力墻的設(shè)置量，此法會加大層剛度變化，不利于抗震，同時也不一定經(jīng)濟;在結(jié)構(gòu)加強區(qū)底部合理設(shè)置剪力墻厚度，厚度隨結(jié)構(gòu)高度增加均勻變化，此做法還可以適應(yīng)底部大層高的要求，避免為保證墻體的穩(wěn)定而人為增加墻厚的情況。

　　(6)各墻肢軸壓比宜接近

　　在人工導(dǎo)算豎向荷載情況下，各剪力墻墻肢的軸壓比宜基本接近并盡量靠近相應(yīng)結(jié)構(gòu)抗震等級軸壓比限值，這樣一來，各墻肢承受豎向荷載值相近，說明剪力墻布置較為合理。也可以避免通過連梁或框架梁來調(diào)整各墻肢的軸向變形差，使梁配筋量增大，且可減少剪力墻的布置量及結(jié)構(gòu)自重，盡可能減少地震力。讓每一道剪力墻直接發(fā)揮其豎向承載的作用，避免由于梁構(gòu)件出現(xiàn)塑性而使得豎向力發(fā)生重分布從而影響結(jié)構(gòu)安全。

　　1.2梁板布置

　　高層剪力墻住宅標準層單位面積含鋼量中，梁板的合計用鋼量約占35%~60%，所以剪力墻合理布置后，梁板布置也不容忽視。

　　對高層住宅，荷載一般不大，樓板絕大多數(shù)均為構(gòu)造配筋，板厚就決定了樓板用鋼量的大小，所以樓板厚度一般按撓度、裂縫及板內(nèi)設(shè)備穿管的最低要求取值，不必過厚，正常情況下，板厚取120mm厚均能滿足撓度、裂縫及穿管要求。

　　樓層梁布置時，應(yīng)保證梁具有簡單明確的傳力路徑，避免多重次梁、多次傳力的情況。剪力墻結(jié)構(gòu)中梁的經(jīng)濟跨度一般在3.0~5.0m之間;若非剛度及連接一字形墻的需要，不宜設(shè)置高連梁，因梁越高混凝土用量越大，構(gòu)造配筋越多。建筑的洞口預(yù)可設(shè)置后澆過梁，再砌梁上填充墻;連接較厚(350~400mm)剪力墻的連梁寬度若非剛度需要不一定與墻相同，這樣可以減少不必要的梁構(gòu)造配筋量及混凝土用量，省下的空間還可滿足其他建筑功能的需要。較小跨度(3.6m以內(nèi))的板上有隔墻或開有洞口(洞口在1m以下)時，墻位置或洞口邊可不設(shè)置梁，可在板內(nèi)設(shè)置加強筋的方式予以解決，這樣可降低由于設(shè)置梁而出現(xiàn)受力復(fù)雜或設(shè)置梁構(gòu)造配筋而增加用鋼量的情況。

　　綜上所述，一個較為合理的剪力墻結(jié)構(gòu)布置應(yīng)該是“外圍墻多布，中部墻間距及長度均勻且長度相近，剪力墻之間有梁連接且加續(xù)貫通”;另外應(yīng)從建筑平面圖仔細分析，爭取與建筑專業(yè)達到雙贏。

　　2 結(jié)構(gòu)分析

　　2.1試算分析

　　根據(jù)建筑條件通盤考慮結(jié)構(gòu)布置，先建立一個初步的結(jié)構(gòu)模型，該模型以典型建筑平面標準層為基準，根據(jù)層數(shù)及層高進行簡單組裝;計算時假定模型中梁兩端為鉸接，不考虎地震作用及配筋情況下(計算速度快)先求出各樓層墻肢軸壓比，以符合“剪力墻軸壓比基本接近”的要求，初步估算墻肢厚度;比校計算軸壓比及規(guī)范規(guī)定的軸壓比限值，調(diào)整墻肢的長度、厚度及混凝土強度等級，并對模型進行修改，此次修改將形成多個標準層，將鉸接梁改為剛接梁進行第二次計算，分析計算結(jié)果中的周期比、位移比、層間位移角等結(jié)構(gòu)整體計算指標是否滿足規(guī)范要求。

　　2.2計算調(diào)整

　　若層間位移角不滿足規(guī)范要求，可采取以下措施：查看位移文件以確定哪些樓層位移角超限，一般情況是結(jié)構(gòu)中上部樓層，若超限不多，可通過提高剪力墻變厚度位置加以解決，否則需增加剪力墻的布置量或關(guān)鍵連梁的高度。

　　若周期比、位移比不滿足規(guī)范要求，可采取以下措施：1)將結(jié)構(gòu)周邊程序定義為連梁的梁改為框架或增加連梁高度，以增加結(jié)構(gòu)外圍剛度;2)減少結(jié)構(gòu)中部剪力墻布置量及降低連梁高度以增大結(jié)構(gòu)的平動周期而簡潔改善周期比、位移比;3)查看結(jié)構(gòu)空間振型曲線，找出位移最大點，在該位置處適當增加剪力墻布置量，再計算以使周期比、位移比、層間位移角滿足規(guī)范要求。若層間位移角較規(guī)范限值富余較多，適應(yīng)當調(diào)整梁布置及減小梁截面，將部分連接復(fù)雜的梁改為鉸接梁，以降低梁剛度，從而減小地震作用，降低成本。

　　2.3計算中若干問題的處理

　　(1)連梁超筋：計算分析中，個別連梁超筋經(jīng)常出現(xiàn)。對超筋連梁，加高連梁的方式一般來說收效不大，應(yīng)擴大洞口寬度或減少梁截面，增大連梁的跨高度，減小該片聯(lián)肢墻剛度，轉(zhuǎn)移其承載的部分地震力，從而降低連梁內(nèi)力達不到超筋的目的;對調(diào)整的確有困難的梁，若其有他可靠水平力傳遞路徑也可以通過降低梁的彎剪剛度而不減小梁截面的方法進行調(diào)整。另外值得注意的是，現(xiàn)行主流設(shè)計分析程序僅對兩端與剪力墻相連，梁凈跨小于4m的梁，跨高比小于5才自動識別為連梁。導(dǎo)致對一端與剪力墻相連另一端與剪力墻端柱(按柱輸入)相連的連梁的漏判，以及兩端均與剪力墻相連、凈跨雖小于4m 但跨高比大于5的梁及兩端均與墻垂直相連梁的誤判，從而導(dǎo)致剛度折減錯誤和混凝土強度等級錯誤(連梁與剪力墻混凝土同等級)。計算時就注意到“特殊構(gòu)件定義”里修改。

　　(2)剪力墻端拐角處的小墻垛，若非特別要求，計算分析中避免建立此類構(gòu)件的模型，因計算結(jié)果表明小墻垛超筋或配筋較大的現(xiàn)象普遍存在(若因連接較大跨度梁造成計算配筋較大就應(yīng)按實際配筋)，給截面配筋設(shè)計帶來較大困難。

　　(3)為了避開短肢剪力墻(厚度200mm),將墻長做成1700～1800mm的方式不太妥當，尤其是此類墻在整棟樓中所占的數(shù)量較多時，建議該類墻的長度不宜小于2000mm。

　　(4)對與墻垂直相交的梁，若墻體厚度不足以錨固梁支座鋼筋時，應(yīng)采取附加錨固措施，若有可能設(shè)計為鉸接節(jié)點。

　　3 構(gòu)造措施

　　3.1 墻配筋

　　(1)對帶翼緣的邊緣構(gòu)件為計算配筋且配筋量較大時，建議用“剪力墻組合配筋”重新計算該邊緣構(gòu)件，該邊緣構(gòu)件總體配筋會減少25%以上，計算初值選默認的構(gòu)造配筋值。

　　(2)對小開口整體墻(墻肢間連梁較高)，因開洞形成的一字形墻可不作為單片墻或短肢剪力墻，在配筋時，洞口兩側(cè)僅配構(gòu)造邊緣構(gòu)件;對L形、T形及十字形墻只要有一個方向不是短肢剪力墻，該墻肢整體不應(yīng)定義為短肢剪力墻。

　　(3)在L及T形墻中當腹板(短)與翼緣(厚長)不匹配時可放寬對翼緣邊緣構(gòu)件的構(gòu)造要求，對十字形墻的交叉部位也僅需按構(gòu)造要求設(shè)置暗柱。

　　(4)墻厚大于300mm的單片短肢墻可不定義為短肢剪力墻，可按一般剪力墻或框架柱的相關(guān)構(gòu)造要求執(zhí)行。

　　(5)當剪力墻混凝土強度等級為C50～C60且墻較長時或頂層外墻等溫度應(yīng)力影響較大的區(qū)域，為減少混凝土收縮及溫度應(yīng)力引起的裂縫，應(yīng)加大水平分布鋼筋的配置量。

　　3.2 梁配筋

　　(1)高層或超高層剪力墻結(jié)構(gòu)樓層連梁及框架梁由于地震作用的原因，其內(nèi)力及配筋隨高度的變化較大，因此建議在畫梁施工圖時適當選擇歸并樓層數(shù)。建議視總層數(shù)多少按3～6層歸并為一層(歸并時應(yīng)注意梁配筋沿高度的變化，不應(yīng)把配筋差別大的樓層歸并到一起)，這樣可節(jié)約鋼材用量。

　　(2)當一端或兩端與墻垂直相交的梁計算中為剛接且墻體厚度足以錨固梁支座鋼筋時，若地震作用所產(chǎn)生的支座彎矩占總彎矩30%以上時，梁應(yīng)按框架梁構(gòu)造，相應(yīng)剪力墻位置應(yīng)根據(jù)梁端彎矩計算配置暗柱縱筋。

　　4 控制建筑結(jié)構(gòu)成本的措施

　　綜合以上，控制成本的措施可歸納為以下幾點：

　　4.1采用輕質(zhì)隔墻材料

　　隔墻盡可能采用輕質(zhì)墻體，如加氣混凝土砌塊、輕質(zhì)墻板等，以減輕荷載，減小地震作用，降低基礎(chǔ)造價。暗柱、梁、板采用高強鋼筋(如三級鋼)，以減少計算配筋量。

　　4.2根據(jù)實際情況進行荷載清理。

　　如有大量的門、窗洞口，其墻體荷載可以扣除，明確建筑使用功能以確定活荷載，去掉不必要的荷載。

　　4.3合理的結(jié)構(gòu)布置和精細的計算

　　1)在保證向及水平承重情況下，盡量拉大剪力墻的布置間距;

　　2)剪力墻厚度沿結(jié)構(gòu)高度均勻變化;

　　3)剪力墻之間應(yīng)有梁連接，避免獨立懸壁墻肢及半框墻肢的出現(xiàn);

　　4)剪力墻的軸壓比盡量接近規(guī)范限值，以減少剪力墻布置及結(jié)構(gòu)自重;

　　5)在布置剪力墻時，應(yīng)考慮剪力墻轉(zhuǎn)折及小墻垛布置對邊緣構(gòu)件的影響，以避免不必要的大暗柱設(shè)置;

　　6)連接較厚剪力墻的框架梁及連梁的寬度不一定同墻厚，該做法會給建筑功能帶來益處;

　　7)在僅考慮豎向荷載的情況下，各剪力墻的軸壓比應(yīng)基本接近，以避免通過連梁來調(diào)整各墻肢的軸向變形差;8)層間位移角盡量靠近規(guī)范限值1/1000。

　　4.4 嚴格按計算結(jié)果及構(gòu)造要求配筋

　　模型荷載都準確無誤的情況下嚴格按計算結(jié)果配筋，不盲目放大(尤其對剪力墻)，可保證結(jié)構(gòu)安全。

　　5 結(jié)語

　　高層剪力墻住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的不僅僅是為了經(jīng)濟性而經(jīng)濟性，不是一味地都按規(guī)范或計算的底限進行設(shè)計，而是充分理解規(guī)范，充分發(fā)揮材料性能。對影響結(jié)構(gòu)性能的重點、關(guān)鍵部位及計算程序不能準確分析或計算模型與實際情況有出入的部分，應(yīng)重點加強或補充分析，做到有的放矢，突出重點。

　　在建筑設(shè)計的方案及初步設(shè)計階段，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員就應(yīng)與建筑師密切配合，根據(jù)結(jié)構(gòu)概念知識初步確定合理的剪力墻布置，調(diào)整建筑方案中不合理的體形或布局，避免不規(guī)則或嚴重不規(guī)則平、立面布置。結(jié)構(gòu)優(yōu)化往往是與各專業(yè)密切配合、充分溝通、并綜合前述各方面要求，經(jīng)多方案比較后形成一個優(yōu)化的結(jié)構(gòu)布置。一個好的結(jié)構(gòu)布置，對房屋建設(shè)成本的起到關(guān)鍵作用，再加上后期的精心設(shè)計即可得到一個較為優(yōu)秀的設(shè)計方案，從而做到技術(shù)先進、安全適用、經(jīng)濟合理、確保質(zhì)量及滿足業(yè)主經(jīng)濟性指標設(shè)計的要求。

　　參考文獻

　　[1] JGJ3—2002高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

　　[2] GB50011—2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.