土木吧丨剪力牆結構優化策略匯總

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《高層混凝土結構優化設計方法探討》

《建築結構》2016 年 11 月上

剪力牆結構是一種常見結構形式，特別是在量大面廣的高層住宅中廣泛應用。剪力牆結構由於梁和板的跨度不大，梁和板的優化空間相對較小。下面從牆肢布置、結構計算參數取值、性能控制指標( 如位移角) 三個方面討論剪力牆結構的優化方法。

1 平面布置原則

牆肢布置的優劣直接從宏觀上影響整個建築結構的力學性能和經濟指標，因此優化布置是進行剪力牆結構優化設計的關鍵。剪力牆布置宜遵循如下四點原則。

1. 1 牆肢對齊布置

剪力牆構件作為高層剪力牆結構主要的抗側移構件，進行結構設計時應充分發揮牆肢間的聯動效用。因此進行結構布置時，同一方向的牆肢宜均勻布置，在平面上形成多道聯肢剪力牆協同工作，盡量避免剪力牆錯位布置。如圖 1 所示的某高層住宅結構平面 Y 向存在 4 片牆肢剛好錯位布置的情況( 圖1 中框起部分的牆肢) 。稍微調整該牆肢的位置，可形成 2 道聯肢剪力牆，則對齊布置的計算模型局部側向剛度可增加 10% 。

1. 2 牆肢均勻布置

高層建築結構在滿足承受豎向荷載和結構抗側移剛度的需要外，還應具有一定的抗扭轉剛度。具體設計過程中，可通過適當加強周邊剪力牆以及外圈樑，調整結構剛度中心與結構平面幾何形心、質量中心的 相 對 位 置，盡 量 做 到「三 心」重 合 的 理 想效果。

1. 3 避免使用短肢剪力牆或長牆

由於短肢剪力牆的延性較差，且構造要求高，鋼筋用量較大，結構布置時應避免使用短肢剪力牆。牆肢長度過長，剛度過大，會造成地震力比較集中。剪力牆結構中如果存在少量長牆，地震作用下的樓層剪力主要由這部分長牆承受，發生超烈度地震時該部分牆肢由於承受巨大的地震力往往首先破壞，由於其他牆肢的承載力較弱，容易造成剪力牆牆肢由強到弱各個擊破的破壞形式，最終導致結構倒塌。因此，進行剪力牆結構布置時宜使各牆肢剛度

接近，盡量避免使用長牆。

1. 4 優先採用帶翼緣牆

L 形、T 形的剪力牆因牆肢端部的翼牆起到扶壁作用，穩定性較好，同時也比較容易滿足框架梁搭接在剪力牆端部時鋼筋的錨固長度要求，進行結構布置時宜優先採用，L 形、T 形牆的翼牆長度可控 制 在 0. 5 ～ 1. 0m，翼 牆 長 度 越短，則 配 筋越少。

2 計算參數的敏感性

對剪力牆結構鋼筋用量敏感的參數包括: 周期折減係數、連梁剛度折減係數、梁剛度增大係數、考慮壓筋影響的梁配筋計算、考慮樓板作為翼緣的梁配筋計算、樓板計算假定、次梁的抗震等級等。限於篇幅，以下選取周期折減係數、樓板計算假定和次梁的抗震等級進行分析。

2. 1 周期折減係數

周期折減係數不影響結構剛度，但影響結構的地震效應大小。周期折減係數可通過軟體計算得到，如採用 GSSAP 軟體分別計算有填充牆模型和無填充牆模型的第一周期，以這兩個周期的比值作為折減依據。

某 12 層剪力牆結構三維計算模型如圖 2 所示，該結構填充牆比較多，計算得到的周期折減係數為0. 95。某 32 層剪力牆結構三維計算模型如圖 3 所示，該結構填充牆比較少，計算得到的周期折減係數為 1. 0。兩模型的計算結果見表 1。

工程實踐表明，周期折減係數每下降 0. 1，基底地震剪力增加 3% ～ 10% ，地震力的增大將會導致配筋增大。因此，周期折減係數應慎重選取，一般剪力牆住宅結構可取 0. 95。也可通過計算結構( 考慮填充牆剛度) 的基本周期來確定。

2. 2 樓板計算假定

在結構整體計算中，一般情況下樓板可採用剛性板或彈性板假定。剛性板假定下可通過梁剛度放大係數考慮樓板的剛度貢獻，而彈性板假定下，樓板與梁共同工作，較真實地考慮了樓板面外剛度的貢獻。採用不同的樓板假定所計算得到的梁板內力分配不同，從而梁板的計算配筋也不同。

某 32 層剪力牆住宅結構，其標準層結構平面布置圖如圖 4 所示，樓板分別採用剛性板( 中梁剛度放大係數取 1. 8) 和彈性板( 殼元) 假設進行計算，得到的結構第一周期分別是 2. 784s 和 3. 025s，可見，基於彈性板假定的結構整體剛度比剛性板假定大，基於彈性板假定計算結果進行設計比基於剛性板假定要節省鋼材，每平方米梁鋼筋用量減少約 2kg。

2. 3 次梁的抗震等級

採用常用設計軟體建模時，與牆相連的梁的建模一般按主梁輸入，是否按次梁設計由軟體判斷或工程師指定。次梁是非抗震構件，若按抗震構件設計將提高梁的最小配筋率和其他構造要求。當前全國各地對次梁的判斷有如下 5 種選擇( 按次梁數量從少到多排列) : 1) 所有與牆肢垂直相連的梁判斷為框架梁; 2) 有一端與牆垂直相連的梁判斷為次梁; 3) 兩端與牆垂直相連的梁判斷為次梁; 4) 一端與牆方向一致，另一端搭在樑上的梁判斷為次梁;5) 一端與牆方向一致，另一端不論如何搭接均判斷為次梁。目前多數採用第 3 種情況，即兩端與牆垂直相連的梁判斷為次梁。

3 不同層間位移角的材料用量比較

某品字形高層住宅，結構總高度為 97. 5m，地下1 層，地上 32 層，首層層高 4. 5m，標準層層高 3m，結構平面布置如圖 5 所示。本工程位於 7 度區，基本地震加速度 0. 10g，Ⅱ類場地，設計地震分組為第一組，基本風壓 0. 30kN /m2 ，地面粗糙度為 B 類。

通過修改抗側力構件的截面尺寸和局部調整結構布置，使得結構在多遇地震作用下的最大層間位移 角 分 別 滿 足 1 /700，1 /800，1 /1 000，1 /1 300，1 /1 600的限值要求。

由表 2 可知，層間位移角按 1 /1 300 的限值控制的鋼筋用量最少，層間位移角按 1 /700 的限值控制的混凝土用量最少。可見，結構剛度越大，剪力牆用鋼量越大，梁用鋼量越小，但混凝土用量越大。比較材料總造價，則層間位移角限值越大越節省材料用量; 若執行《高層建築混凝土結構技術規程》( JGJ 3—2010) ( 簡稱高規) ，則層間位移角接近1 /1 000 限值時材料用量最節省; 若執行廣東省高規 ，則層間位移角接近 1 /800 限值時材料用量最節省。

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