孔庆秋
(广州市建工设计院有限公司 广州 510000)
随着我国建筑行业的不断发展,越来越多现代化技术被广泛应用到工程建设中,项目设计、原材料、施工方法都发生了较大改变。为了实现可持续发展战略,建筑行业要朝着绿色化、节能化方向发展,解决资源短缺和过度消耗的窘境。其中,剪力墙的优化设计成为了建筑时关注的重点内容,一方面可以降低材料用量,另一方面也可提升结构强度和稳定性,和绿色建筑理念相符。因此,对绿色建筑理念下的高层剪力墙结构优化设计展开分析具有重要意义。
1.1 绿色建筑的概念
绿色建筑,就是在全生命周期内,在保证项目质量与安全的前提下,使用绿色材料和施工技术,减少不必要的资源浪费与能源消耗,避免对生态环境带来破坏,同时实现土地、水电等各方面资源节约,降低污染,实现人与自然的和谐相处。绿色建筑的可靠性、稳定性更为突出,使用寿命长,可以将环境友好型、资源节约型社会的建设理念贯彻落实到位［1］。
1.2 剪力墙的概念
从本质上来看,剪力墙结构就是钢筋混凝土墙板结构,强度和稳定性都有所保障,因此目前在建工程中得到了广泛应用,可以有效代替传统梁柱的框架结构,在高层建筑中的优势更为突出,可承受更多荷载内力,控制结构水平力。剪力墙结构的特点主要表现在这几个方面:墙体的肢长和厚度远远超出承载能力,刚度平面小,会受到剪力、弯距等作用。在自然灾害、地质灾害频发的地区,将剪力墙结构应用到高层建筑施工中,既能够控制能源消耗,满足非弹性变形的重复效应,又能够提升建筑刚度,其价值可得到充分展现［2］。
2.1 剪力墙的分类
2.1.1 实体墙
墙体开洞面积小于整体面积的15%,就是实体墙,这种类型的墙体在高度变形之后会呈弯曲状态,线形的应力分布是其主要受力特点。
2.1.2 整体小开口剪力墙
墙体开洞面积在15%以上,但是面积仍然不大的,就属于小开口整体墙,没有反弯点,受力应当考虑弯矩大小。
2.1.3 双肢或多肢剪力墙
这种墙体的开洞面积比较大,或是洞口数量多,呈分裂排开状态。其受力形式和整体小开口剪力墙大致相同。
2.1.4 壁式框架
是开洞最大、反弯点众多的剪力墙结构类型。
2.2 剪力墙设计的原则
剪力墙结构设计最基本的原则,就是高安全性、高质量与经济性,不能影响建筑本身的强度,以最小的收益创造出最大价值。安装位置、位移限值都是要重点关注的内容,同时控制好剪力墙的数量、高度以及相关构件,即便是在地震或其他恶劣地质灾害的影响下,其倾覆力矩和总弯矩之间的比例仍然要符合要求［3］。
2.2.1 楼层最小剪力系数的调整原则
在剪力墙设计的过程中,应当注意剪力墙的数目分布,对局部结构进行优化设计,比如提升其横向刚度,调整层间剪力系数等。这样做的主要目的在于,让结构整体自重更轻,不仅有助于实现成本目标,还可抵御地震以及其他地质灾害的影响［4］。
2.2.2 楼层层间最大位移与层高比的调整原则
楼层之间的跨度、层与层之间的高度比,都是剪力墙设计应当关注的重点,可以准确计算出地震发生时建筑可能出现的位移,以及位移的确切范围,让设计人员了解到如何优化剪力墙结构与规格,才能够让建筑墙体成为整体,抵御弯曲变形。垂直构件的数量,和剪切变形控制之间有着十分密切的联系,但是这并不代表构件数量越多越好,而是应当按照设计图纸上的相关要求,布置在合理的位置,尽可能减少其扭转变形量,以满足层间位移的控制要求。从这个角度来看,在高层建筑剪力墙优化设计方面,应当充分重视垂直构件的刚度,避免产生过大的位移量［5］。
2.2.3 剪力墙连梁超限的调整原则
如果剪力墙的跨高比在2.5以下,那么弯矩和剪力可能会达到极限值,为了保证建筑工程的强度,这一数值要确保在2.5以上。如果跨度在5～6之间,应当现场拆除连续墙,减少刚度,这既是优化设计的要求,同时也有助于降低成本投入,实现效益最大化。
3.1 注重转换层结构设计
(1)建筑高度越高,其底部需要承受的压力就越大,过渡层质量也会相应的增加,对转换层和刚度上下比进行调整,是需要关注的重点内容。为了提升项目建设质量,转换层的刚度与质量不能过大,在水平力的作用下,利用专业仪器设备进行空间分析,确保其层间位移角符合要求即可;(2)在选择过渡层结构的刚度与重量时,可计算出其振动模态的数目;(3)安排专业人员对转换层结构展开全方位分析,查看是否存在薄弱点,掌握具体的内力分布特点,调整构件位置,针对性的做好结构加强工作［6］。
3.2 确保剪力墙刚度符合要求
随着我国建筑行业的进一步发展,相关政策也越来越完善,高层建筑施工过程中,剪力墙截面一定要符合参数规范,独立的矩形墙肢的截面高度要在截面宽度的五倍以上。为了防止出现刚度、强度等方面的设计缺陷,通常会采用合并洞口的方式,或是根据实际情况来适当调整剪力墙的结构,将墙肢设计在靠近墙体的位置,用钢筋结构进行加固处理,让剪力墙处于良好的受力状态。剪力墙的延性也是需要关注的重点内容,可有效避免脆性的剪切破坏。此外,高层建筑对其内部结构的要求会更高,为了防止地质灾害和极端气候的影响,可通过提升剪力墙厚度满足建筑地点的地震预防需求,比如想要预防八级地震,剪力墙结构的强度就要达到二级。当其厚度符合设计标准时,墙体偏心荷载不会出现偏移,而且平面刚度有所保障。
3.3 优化连梁设计
建筑行业对剪力墙连梁设计也有着明确规定,高跨比在2.5以下、2.5以上的,其承载力、加固、配筋等方面的规定有一定区别。为了确保剪力墙参数符合要求,有关人员应当充分意识到连梁设计的重要性,采用合理的手段进行塑性调整。在计算内力的过程中,先对梁的刚度进行折减,同时结合梁弯矩、剪力值、折减系数等参数。
3.4 剪力墙底部加强
高层建筑的自重非常夸张,如果仅仅依靠剪力墙的承载力,显然无法满足项目的支撑要求,强度和稳定性会大受影响。为了解决这一问题,提升剪力墙的承重能力,就成为了设计人员需要关注的重点,过去一段时间内,在墙体底部设置加强墙,是比较理想的方式。但是这种处理手段,会改变墙体的受力结构,某种程度上来看,会给项目埋下一定的安全质量隐患。因此,应当在原有方式的基础上进行创新,采用全新的设计优化方式。对于一般的剪力墙结构,如果没有特殊要求,加强墙的高度控制在总高度的八分之一为宜,不可过高,以高度参数为依据进行计算,得到墙体厚度的具体数值。剪力墙结构本身具有一定的特殊性,可以在其底部增设部分特殊结构,优化边缘部件,做好底部固定工作。
3.5 较多的使用一般剪力墙
普通的剪力墙,是优化高层建筑剪力墙的重要手段,能够有效控制短肢剪力墙与小墙肢的数量,结构的竖向、水平向刚度、承载力都需要合理分布。“L”型、“T”型剪力墙的应用比较普遍,主要是因为可以提升结构的侧向刚度。
3.6 剪力墙开洞的处理
除了需要考虑到建筑工程的功能性需求来设置门窗洞之外,还要考虑到设计方案与工程结构特点,适当调整开洞的位置与大小。整片的剪力墙,其长度应该在设计图纸的合理范围内,开洞之后用弱连梁进行连接。剪力墙的长度与刚度之间呈正向关系,长度越大,表明其刚度也就越高,吸收到地震力也就更大。如果在这个时候建筑主体的墙体受到损伤,高层建筑的抗震性能将会大受影响,无法保证住户安全。因此,每一片区域的剪力墙长度不应过长,注意分散布置,均匀承受地震的作用力。
4.1 项目介绍
某市某工程项目总用地面积5 829 m2,总建筑面积13 512 m2,为八层住宅结构,配备地下停车场、商业网点、社区办公用房等配套设施。(1)优化计划。建立了优化模型并明确标注了相关参数,包括混凝土容量、基本风压、连梁刚度折减系数等;(2)优化结构布置。通过调查该项目的实际情况,可以了解到结构布置方面还有多处需要调整的地方,比如结构自重不足、走廊、卫生间、厨房等楼板厚度太厚,小墙肢比较多,不仅强度难以满足要求,还会带来不必要的成本浪费。结构优化的主要目标如下:修正门窗、提升墙体利用率、减少钢筋、节约混凝土用量等。
4.2 初步优化设计
要积极响应可持续发展战略,结构设计发生调整时,应当考虑到其他关联变量,注意不同变量变化之后,对建筑结构强度、排碳量以及抗震性能之间的关系,通常需要进行反复的试验,才能够实现预期目标。就高层建筑剪力墙结构来看,需要在分析以及校核的同时,进行综合和优先选择,确定好剪力墙结构数量与分布形式后,应当将碳排放量控制在最低水平,以实现绿色建筑发展目标。
4.3 二次优化设计
对高层建筑工程项目的结构进行二次优化,应当注重剪力墙布置的形式以及数量要求。本项目优化初期,构建了相应的模型,原模型剪力墙结构数量与布置形式不变的基础上,改变了其厚度,在模型中设置了300 mm、250 mm、220 mm、200 mm 厚度的墙体。通过计算可以了解到,当剪力墙结构厚度变小时,其刚度和碳排放量也随之减少,抗震性能以及整体的强度,仍然能够满足工程要求。不难看出,即便固定剪力墙结构的数量和布置方式,也并不代表没有优化的空间,这可以给设计人员提供全新思路。在明确的范围内,可以适当降低剪力墙结构的厚度,让抗震指标达到预先设计的标准,可利用计算机软件构建模型,并持续对其进行优化,在本项目中,使用了厚度为200 mm 的剪力墙结构,C30和C40混凝土,碳排放量也有明显降低。
总而言之,我国建筑行业目前正朝着高层化、绿色环保化的方向发展,在大趋势下,建筑结构自重更轻、适用的材料对环境无毒无害,强度与稳定性更为突出,剪力墙结构有着极为广阔的发展前景。在优化设计的过程中,设计人员要前往现场进行全面考察,分析地质、地形、自然环境等情况,针对薄弱处展开设计优化,提升建筑结构的抗震性能与承重性能,降低不必要的材料与资源浪费,让剪力墙的作用得到最大化展现,推动我国建筑行业的稳定、持续发展。
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