摘要:本文介紹了某小區(qū)建筑工程住宅樓短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化設計，通過對其結(jié)構(gòu)體系選擇及計算結(jié)果的分析,闡明了短肢剪力墻是小高層住宅結(jié)構(gòu)設計中一種較經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)體系,是降低高層結(jié)構(gòu)經(jīng)濟指標的可行途徑。
　　關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設計，優(yōu)化，短肢剪力墻
　　
　　引言
　　近年來，隨著房地產(chǎn)業(yè)競爭的不斷加劇,開發(fā)商為了使其產(chǎn)品與眾不同,滿足多方面需求,常常對高層住宅的底部提了一些特殊的要求,比如,設置車庫、會所、商店、餐館及文化娛樂場所等等。從建筑功能上講,底層的公用部分應有盡可能大的自由靈活空間,柱網(wǎng)要大,墻要盡量的少,上部則是小開間,墻體較多,以滿足住宅空間分隔的要求。
　　
　　1工程概況
　　本工程為高層住宅樓,其中地上9層,建筑總面積為4337.18m2,建筑總高為27.600m。本工程建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為二級,抗震設防類別為丙類,抗震設防烈度為8度,設計基本地震加速度為0.2g,設計地震分組為第一組,地面粗糙度為C類,基本風壓值取值0.35kN/m2,場地土類別為Ⅱ類。
　　
　　2結(jié)構(gòu)方案布置
　　因結(jié)構(gòu)會造成剛度過大,重量增加,導致地震反應過強,使得上部結(jié)構(gòu)和基礎造價提高所以,為了有效提高經(jīng)濟指標,經(jīng)多方案論證,決定采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系。
　　在本住宅結(jié)構(gòu)平面布置中,盡量使結(jié)構(gòu)平面形狀和剛度均勻?qū)ΨQ。短肢剪力墻雙向布置,盡量拉通、對直。豎向布置中,力求均勻,避免有過大的外挑、內(nèi)收,以及樓層剛度沿豎向突變,使整個房屋的抗側(cè)剛度中心靠近水平荷載合力的作用線,以免房屋發(fā)生扭轉(zhuǎn)。根據(jù)建筑的平面布置,在房間、樓梯間、電梯間的四角,采用Z形、L形、T形或異形的墻肢。在設計過程中還應注意同周期的關(guān)系,使結(jié)構(gòu)的第一自振周期避開場地土的卓越周期,以免地基與結(jié)構(gòu)形成共振或類共振,既保證結(jié)構(gòu)在風和地震荷載作用下的變形控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi),又要保證建筑物有相對合理的自振周期,做到結(jié)構(gòu)設計經(jīng)濟、合理且實用。
　　本方案根據(jù)上述建議經(jīng)過多次調(diào)試,得到了4種結(jié)構(gòu)方案,結(jié)構(gòu)平面布置見圖2。剪力墻截面厚度同相鄰砌體填充墻厚度均為200mm。剪力墻、梁混凝土強度等級為C30。板的混凝土強度等級均為C25。主要連梁的尺寸大都為200mm×400mm。標準層樓板厚度為120mm,頂層樓板厚度為150mm。有別于肢長肢厚比不大于4.0的異形柱,短肢剪力墻的肢長肢厚比按規(guī)范要求控制在5～8范圍內(nèi),一般剪力墻的肢長肢厚比均大于8。值得注意的是,對肢長肢厚比為4～5范圍內(nèi)的墻肢,目前規(guī)范尚無明確條文規(guī)定其構(gòu)件類型,故設計時建議不要采用。由于原方案的剪力墻過多,使底部剪力過大,使結(jié)構(gòu)很不經(jīng)濟,同時布置了少量鋼筋混凝土柱子,使結(jié)構(gòu)不是很合理。故方案1在原方案的基礎上去掉了少量的剪力墻(見圖2a)。
　　在方案1基礎上適當?shù)臏p少一些剪力墻,從而使方案更經(jīng)濟,在調(diào)試過程中由于剪力墻較少,從而使電梯間X方向的剪力墻承受過大的剪力造成超筋,故把電梯間X方向的剪力墻開洞口,使結(jié)構(gòu)X向的剛度減少。(見圖2b)
　　方案3是在方案2的基礎上改善了Y方向的剛度,使兩個方向的剛度相接近,使結(jié)構(gòu)更合理且均勻?qū)ΨQ(見圖2c)。。

　　在方案3的基礎上把Y方向的一些T型剪力墻變成一字型,雖然在多高層住宅設計中剪力墻結(jié)構(gòu)應盡量避免一字型,但由于該結(jié)構(gòu)的實際情況,所以采用了部分一字型(見圖2d)。
　　3上部結(jié)構(gòu)抗震計算結(jié)果分析
　　3.1計算結(jié)果分析
　　從構(gòu)件力學特性上來說,短肢剪力墻的肢長與肢厚比≥5.0,更接近于剪力墻,故計算時將短肢剪力墻作為剪力墻而不是柱考慮應更合理。因此,結(jié)構(gòu)整體計算采用中國建筑科學研究院開發(fā)的SATWE程序(2003年版)進行。SATWE采用的是在每個節(jié)點有六個自由度的殼元基礎上凝聚而成的墻元模擬剪力墻墻元不僅具有平面內(nèi)剛度也具有平面外剛度,可以較好地模擬工程中剪力墻的真實受力狀態(tài),計算結(jié)果較精確;同時,對樓板SATWE可以考慮其彈性變形。雖然主樓結(jié)構(gòu)平面較規(guī)則,立面也無剛度突變現(xiàn)象,但由于剛度較大的電梯井處筒體有點偏置,會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的影響,為了計算準確,地震作用計算考慮了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)和5%偶然偏心的影響,取了27個振型計算。
　　3.1.1自振周期的控制
　　考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時的自振周期(計算時自振周期折減系數(shù)取0.8)如表1(只列了前6個)所示。從表1可得,方案4結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期T3=0.9959s,平動為主的第一自振周期T1=1.1656s,T3/T1=0.854<0.9,滿足(JGJ3-2002)第4.3.5條的規(guī)定。
　　3.1.2結(jié)構(gòu)位移的控制
　　最大層間位移角(應≤1/1000)、最大水平位移與層平均位移的比值(不宜大于1.2,不應大于1.5)及最大層間位移與平均層間位移的比值(不宜大于1.2,不應大于1.5)見表2。從中可以看出,結(jié)構(gòu)在風荷載和地震作用下的位移均能很好地滿足規(guī)范限值。

　　3.1.3剪重比控制
　　剪重比是反映結(jié)構(gòu)承受地震作用大小的指標之一,地震力計算不能偏大,但也不能太小。因為短肢剪力墻本身抵抗地震的能力較差,如果短肢剪力墻分配的地震力太大,則很有可能不滿足要求。本工程X方向的最小剪重比為4.50%,Y方向的最小剪重比為4.62%,要求的X、Y向樓層最小剪重比均為3.20%,所以各層均滿足要求。
　　3.1.4軸壓比是體現(xiàn)墻肢抵抗重力荷載代表值作用下的能力“,規(guī)范”對短肢剪力墻(尤其一字墻肢)要求更高一些。上述工程出現(xiàn)的短肢剪力墻軸壓比在0.20～0.45之間,軸壓比小于規(guī)范規(guī)定值。
　　3.2結(jié)構(gòu)經(jīng)濟分析
　　為了與工程實際情況相符,假設混凝土的成本與混凝土的體積成正比,鋼筋的成本與鋼筋的體積成正比。在總造價上,暫不考慮模板及樓板等工程的造價影響。材料的單方造價混凝土為430元/m3,鋼筋4200元/t。表4為方案的經(jīng)濟指標匯總。
　　由表4知,方案4比原結(jié)構(gòu)在總造價上要節(jié)約17.8%。使材料得到了充分的發(fā)揮。
　　結(jié)束語
　　綜上所述，本文針對某居民住宅樓的結(jié)構(gòu)特點,進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。此工程剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)是建筑平面外邊緣及角點處的墻肢,因而設計時在以上部位布置L型或一字型短肢墻,受條件所限也出現(xiàn)了少量一字型短肢墻,設計時嚴格控制其軸壓比<0.6,且相差不應太懸殊,避免墻肢應力差異過大。高層建筑中的連梁是一個耗能構(gòu)件,對抗震不利。