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分析高层建筑钢筋混凝土剪力墙结构设计
发布时间:2019-09-16

  摘要:剪力墙结构是高层建筑的抗震结构,由钢筋混凝土制成,其质量表现将决定高层建筑整体质量,说明其具有重要地位,为了保障剪力墙结构质量达标,需要结合实际情况,进行结构设计工作。对此文章将分析高层建筑钢筋混凝土剪力墙结构设计。

  关键词:高层建筑; 钢筋混凝土; 剪力墙结构;

  高层建筑上部与地基应力的连接较弱,所以当建筑受到外部冲击时,上部结构会发生较大的晃动,同时会承受风力载荷,所以上部结构很容易坍塌,对于居住在上部结构的人来说将面临更大的危险,即假设高层建筑遭受地震,其上部结构塌陷速度、塌陷程度都远超下部结构,因此高层建筑的抗震性必须满足规范要求。而为了使高层建筑抗震性达标,就必须做好剪力墙结构设计工作,对其力学结构、性能进行把控。

建筑设计

  1 剪力墙结构受力特征

  剪力墙结构在整体上由横向、纵向剪力墙以及楼盖组成,其在遭受外力时,两个剪力墙组成部分在内外都会表现出极大的刚度,相应墙基位移程度很小,说明剪力墙结构在受力条件下具有高抗性特征。剪力墙的受力特征具有强大的适应性,即其面对各种强大且无规则的外力影响时,上部结构会随着外力方向来变化,尽可能保障自身墙基的稳定性,所以剪力墙结构面对风力载荷以及地震外力时,可以有效抵抗外力影响,且尽可能地延长结构塌陷时间,尤其在楼梯间设置筒子形剪力墙,从而给高层人员逃生提供更多的时间。此外,剪力墙结构无论设计细节如何调整,其都需要遵循紧凑结构的原则,图1为某小区34层高层建筑剪力墙结构平面布置图,图1中可见剪力墙结构非常紧凑,并且在交通核附近设置较多剪力墙结构,俗称"避难岛"方便人员进行逃生[1].

  

  图1 高层建筑剪力墙平面布置图?

  2 剪力墙结构设计原则

  2.1 抗震原则要求

  抗震水平是评估高层建筑质量的核心指标,而剪力墙结构就是决定抗震水平的主要因素,所以在设计当中,必须保障剪力墙结构的抗震性表现达标。具体来说,根据国家规范要求,高层建筑抗震水平必须超过地区抗震等级一级,因为地震等级无法被控制,且存在明显动态性,所以这一要求可以起到"防患于未然"的作用,而剪力墙结构抗震性由其钢筋混凝土墙板、抗弯性等组成,即剪力墙结构当中,其主要采用钢筋混凝土墙板来替代常规建筑的梁柱,可以有效承载因外力带来的内部应力,而抗弯性也与常规建筑不同,其需要相对减弱,实现高适应力[2].

  2.2 质量原则要求

  剪力墙结构作为抗震结构,其本身力学结构与性能指标是十分严谨的,不能出现太多误差,而这些要求是评估剪力墙结构本身质量的重要指标,在设计工作当中必须遵循。具体来说,剪力墙结构的质量由材料质量、工艺来决定,对此设计人员要依照抗震设计要求,对材料质量、工艺指标进行选择与设定。

  3 剪力墙结构设计要点

  3.1 水平荷载

  在设计工作当中,为了保障剪力墙结构水平载荷达标,要先设计初步结构图像,相应依照自重和其他竖向荷载的关系,进行比值计算,根据计算结果可以看到剪力墙整体结构当中的力学结构分布,相应推断出当前设计结构中的水平荷载是否平衡且达标。

  3.2 轴向变形

  在高层建筑的应用当中,其剪力墙结构的竖向自重是产生荷载的重要因素,自重越大则荷载越大。在此条件下,当剪力墙结构竖向自重过于大,就会给下方地面造成巨大压力,这种压力或许不会直接导致地面塌陷,但很容易引起轴向变形现象,当发生此类现象时,则说明地面承载能力在衰减,同时会使得剪力墙结构倾斜,可能引起墙体裂缝问题,所以在设计工作当中,必须严格控制竖向自重,避免轴向变形的问题。

  3.3 结构延性

  结构延性是组成剪力墙结构抗震性的重要因素,即因为地震的破坏力极其强大,所以理论上,任何剪力墙结构在此条件下,都不能保障完好无损,或多或少都会出现结构变形现象,相应如果剪力墙结构不具备延性,则在变形条件下,很容易出现裂缝、缺损,随后演化成坍塌,但如果具备良好延性,则说明结构中存在容纳变形率的空间,可以一定程度上抵消部分地震带来的外力。由此可见,剪力墙结构延续代表了结构适应力。

  4 剪力墙结构设计缺点

  综上可见,剪力墙结构在高层建筑当中的应用表现良好,但结合国内相关案例可见,该结构还存在一定缺陷。

  4.1 案例概况

  某实例工程单位层高33.4 m,共分为12层,根据国家相关条例证实该工程为高层建筑。根据实例工程测试确认,该工程7层以上的8.1 m出于高层建筑范围,其承受的风力载荷以及与地基力学关系都异于下部结构,所以工程单位为了保障建筑质量,将采用剪力墙结构来进行建设,但建设当中该工程发现剪力墙结构存在缺点,需要通过其他措施来进行优化。

  4.2 剪力墙结构缺点

  根据案例表现以及理论得知,剪力墙结构主要存在框架节点应力过于集中、框架结构的侧向刚度小以及施工复杂的缺点,这些缺点在实例当中的数据表现为:框架节点集中于结构中心2.0 m范围内,其他部分应力较低;框架结构的侧向刚度为124.3 MPa,不满足施工标准;大体构件数量为54件,说明工艺较为烦琐。性能分析上,该单位借助BIM技术构建了剪力墙结构模型,随后通过仿真软件构建了仿真地震、风力载荷环境,将模型分别放入两个仿真环境当中进行测试,结果显示该剪力墙结构在地震条件下,一共可支撑5.2 min,整体稳定性良好,但当其应力集中点损坏或位移后,会瞬时间倒塌;在风力载荷条件下,结构体晃动幅度为2.1~2.3 mm,存在不稳定表现。

  4.3 实例剪力墙结构缺点优化方法

  实例当中,针对框架节点应力过于集中问题,其在应力集中点以外的范围内,增加了支撑结构,使整个墙面受力平衡;针对框架结构的侧向刚度问题,主要通过材料性能来进行弥补,因为此类问题属于剪力墙本质缺陷,难以完全消除;针对施工复杂问题,实例工程采用的装配式结构施工方法,现在工厂内完成构件,随后拼装、加固,即可简化施工步骤。

  5 结语

  本文主要对高层建筑钢筋混凝土剪力墙结构设计进行了分析,通过分析得到结论:剪力墙结构对于高层建筑而言十分重要,其将决定高层建筑在地震、风力荷载条件下的性能表现,因此在设计当中要引起重视;对剪力墙结构设计原则、要点、重点进行了分析,介绍了各部分的内容、要求、目的以及注意事项,可以保障结构质量。

  参考文献
  [1] 王建业。高层建筑钢筋混凝土剪力墙结构设计探讨[J].冶金丛刊,2017 (3) :223-224.
  [2] 胡冬。高层住宅钢筋混凝土剪力墙结构设计[J].江西建材,2016 (7) :33.

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