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1、浅析顾村公园二期配套商品房某高层剪力墙结构设计摘要：剪力墙结构由钢筋混凝土墙体承受全部水平力和竖向荷载，它的空间整体性好，侧向刚度大，具有多道防线及良好的抗震性能。这种结构适用于分隔墙较多、房屋面积不太大的高层住宅、公寓和饭店等房屋。本文结合具体实例对高层住宅剪力墙的特点和设计要求进行解析，并试图探求高层住宅楼中剪力墙的优化设计，以供结构设计人员参考。关键词：剪力墙 高层建筑 结构 设计在高层建筑结构设计中，不仅要求结构具有足够的承载力，而且必须使结构具有足够的刚度以抵抗侧向力，使结构在水平力作用下所产生的侧向位移控制在规范规定的范围内。因此，高层建筑结构所需的侧向刚度由位移控制。这样一来，水
2、平力就成了设计的主要因素。在低层和多层房屋结构中，水平力产生的影响较小，以抵抗竖向荷载为主，侧向位移小，通常忽略不记。在高层建筑结构中，随着高度的增加，水平力（风荷载或水平地震作用）产生的内力和位移迅速增大。如图 1 所示，把房屋看成一根最简单的竖向悬臂构件，轴力与高度成正比，水平力产生的弯矩与高度的二次方成正比，水平力产生的顶点侧向位移与高度的四次方成正比：竖向荷载产生的轴力 N=WH水平力产生的弯矩均布荷载 M=1/2qH2倒三角形分布荷载 M=1/3qH2水平力产生的顶点侧向位移均布荷载 =qH 4/8EI倒三角形分布荷载 =11qH 4/120EI一、 工程概况及结构布置1.工程概况本
3、工程为上海市顾村公园二期配套商品房某高层住宅楼，采用剪力墙结构，地上 14 层，地下 1 层，除地下一层层高为 3m 外，其余层高均为 2.9m，首层室内外高差 0.6m，房屋总高度为 41.2m。建筑总面积 4718 平方米，建筑结构的设计使用年限是 50 年，抗震设防烈度为 7 度，设计地震加速度 0.1g，抗震设防类别为丙类，剪力墙的抗震等级为三级，场地类别为四类，设计的基本风压为 0.55KN/ m2，地面粗糙类别为 B 类。2.结构布置其结构标准层平面布置图见图 2，该结构的空间模型见图 3。图 3（1）剪力墙的布置。本工程剪力墙自下而上采用主轴双向连续布置，剪力墙的厚度在地下室外墙
4、为 250mm，内墙为 200mm，地上部分剪力墙厚度均为 200mm。两个主轴方向的抗侧刚度也比较接近（其中 X 向抗侧刚度为 4.09X107 KN/ m，Y 向侧向刚度为 4.82X107 KN/ m），可保证该建筑具有较好的抗扭刚度，能有效减少地震作用的扭转影响。为了保证剪力墙结构的延性，避免其发生脆性的剪切破坏，墙肢截面高度不宜大于 8m，每个独立墙段的总高度与其截面高度之比不应小于 2。为了减少上下剪力墙的偏心，当内墙厚度变化时宜两侧收敛，外墙和楼、电梯墙可以一侧收敛。本工程除地下一层剪力墙混凝土为 C35 外，其余楼层剪力墙混凝土均为 C30。（2) 梁、板的布置。连梁一般具有跨
5、度小、截面大的特点。在风荷载和地震荷载的作用下，连梁的内力很大，所以设计时应注意以“强剪弱弯”来保证连梁的延性。当剪力墙墙肢与其平面外方向的楼面梁连接时，应控制平面外弯矩，可采取增加与沿梁轴线方向的垂直墙肢的方式来减少梁端部弯矩对墙的不利影响。剪力墙连梁的跨高比应当大于 2.5，当跨高比小于 2.5 时，连梁很容易出现剪力和弯矩超过规范限值的情况。本工程在卫生间的洞口尺寸建筑上要求 600，但是在结构布置剪力墙时人为增大到 1200，此处的连梁高度为 400，从而满足跨高比大于 2.5 的要求，保证连梁计算通过。本工程楼板采用现浇结构，除卫生间、阳台、厨房楼板厚度为 90mm 外（平面图中方格
6、阴影部分），其余楼板厚度为110mm，屋面板厚度为 120mm。1113 轴楼板开大孔口，造成局部楼板不连续，结构上采取洞口边补板的措施，来满足开洞后每一边的楼板净宽不应小于 2m 的规范要求。梁、板结构的混凝土均为 C30。(3) 剪力墙底部加强部位的范围。一般情况底部加强部位的高度应从地下室顶板算起，底部加强部位的高度可取底部两层和墙体总高度的1/10二者的较大值。但是当结构计算嵌固端位于地下一层底板或以下时，底部加强部位宜延伸到计算嵌固端。而本工程就是属于后者，表1是作为上部嵌固端的地下室顶板和普通地下室顶板的要求比较。表2为本工程两个主轴方向地下一层和地上一层侧向刚度的计算值。表1地下
7、室顶板分类 最小板厚 混凝土等级 楼板配筋地下一层与地上一层的侧向刚度比普通地下室顶板 160mm 不小于C30宜双层双向配筋，满足计算和最小配筋率要求无要求作为上部嵌固端的地下室顶板 180mm 不小于C30应双层双向配筋，且每个方向的配筋率不宜小于0.25%大于等于1.5表2X向侧向刚度（x10 7 KN/ m） Y向侧向刚度（x10 7 KN/ m）地下一层 9.03 5.63地上一层 4.09 4.82从表1和表2可以看出，本工程将嵌固端设在基础顶面，可以有效减少地下部分楼板和剪力墙的混凝土和钢筋用量，在满足规范的前提下，起到了节约成本的作用。（4）短肢剪力墙的设置。短肢剪力墙是指墙肢
8、截面高度与厚度之比为58的剪力墙。短肢剪力墙的截面厚度不应小于200mm。由于短肢剪力墙的抗震性能差，抗震地区的高层建筑不应全部采用短肢剪力墙，同时规范对它比一般剪力墙有着更高的要求。本工程在2轴和22轴设置了两段短肢剪力墙，所占比例很小，符合规范要求。二、计算分析 1.剪力墙结构边缘构件设计规范要求剪力墙两端和洞口两侧应设置边缘构件。边缘构件又分为约束边缘构件和构造边缘构件，三级抗震剪力墙不设约束边缘构件的最大轴压比为 0.3。具体到本工程，底部两层和地下一层的剪力墙两端设置约束边缘构件，三层及以上剪力墙两端设置构造边缘构件。2.最大层间位移角和层间位移比正常条件下，高层建筑的剪力墙结构结构
9、应有足够的刚度才能使结构具有足够的承载力和较好的稳定，所以必须对结构位移进行严格控制，绝对不能超过规范规定的限值。本工程实际的计算结果如下: X 方向最大层间位移角为1 /1162，最大位移与层平均位移的比值为1.08; Y 方向最大层间位移角为1 /1157，最大位移与层平均位移的比值为1.17。计算结果均满足国家规范设计要求。3.结构抗扭刚度与抗倾覆计算对高层建筑来说，扭转效应会直接导致房屋的严重破坏，扭转效应是判断结构设计是否合理的重要指标，工程设计中通过位移比和周期比来计算扭转效应。本工程的扭转系数和平动系数见表3, 可以看出整体结构抗扭刚度较好。结构整体抗倾覆验算数据见表4，在重力荷
10、载、水平荷载与水平地震共同作用时，基础底面没有出现零应力区，满足规范要求。表 3 扭转系数和平动系数振型号 周期 转角数 平动系数 （X+Y） 扭动细数1 1.0429 89.57 1.00（0.00+1.00） 0.002 1.0375 179.53 1.00（1.00+0.00） 0.003 0.7959 21.98 0.00（0.00+0.00） 1.00表 4 结构整体抗倾覆验算抗倾覆力矩MR 倾覆例举MOV MR/MOV(%)X风荷载 1236310.1 20514.6 60.26Y凤载荷 506114.4 49515.2 10.22X地震 1202405.8 132977.4 9.
11、04Y地震 492234.8 127094.9 3.974 连梁的设计计算问题连梁作为高层建筑剪力墙结构中抵抗水平力第一道耗能防线和抗侧向刚度调节器，具有重要作用。高层建筑剪力墙中的连梁在水平荷载作用下的破坏可分脆性破坏和延性破坏两种情况。连梁在发生脆性破坏时就丧失了承载力容易倒塌。目前，国内较多的采用连续连杆法来计算双肢剪力墙内力、位移，从理论上对连梁设计进行优化。从连梁的工程实践设计经验出发，我们必须在使结构平面刚度分布均匀的前提下调整连梁的刚度，以达到连梁延性设计目的，通常的方法包括调整连梁跨高比、沿连梁高度调整内力、确定合理的剪力、引入连梁刚度降低系数、在较长剪力墙开设结构洞、增加剪力
12、墙的厚度、改善连梁的构造设计、提高混凝土的等级。连梁的内力与剪力墙的数量、剪力墙承受的水平力大小、连梁的刚度等都有关，设计时要把每一个影响因素，结合建筑结构实际情况，调节连梁刚度，才能取得比较理想的设计结果。三、结束语剪力墙在高层建筑中应用越来越广泛，我们应当对剪力墙的结构设计不断进行优化，选择最适宜的结构形式才能保证建筑结构的安全可靠度，又降低工程造价。因此，设计人在设计之前应充分了解剪力墙的各种特征及要求，正确把握结构概念，设计出高质量的剪力墙结构。参考文献:1 白洁，史红杰.浅析高层剪力墙住宅楼结构的优化设计J. 规划与设计,2012.2 周勇.浅析高层建筑剪力墙结构设计J.科技风，20103 宋立娜.浅析高层建筑剪力墙结构设计J.城市建设，2012（22）4 吴雪峰.浅析高层建筑剪力墙结构优化设计J.大科技，2011（4）5 李尚峰,刘彦泉,厉建兵.高层住宅剪力墙结构连梁设计浅析J. 机场工程，2012（2）
