高层住宅建筑结构设计方法

摘 要：随着我国经济建设水平的提高及社会的发展,住宅建筑的高度日益成为建筑设计及结构设计的重点课题,因此剪力墙结构设计研究成为炙手可热的关键学科.高层建筑剪力墙的结构设计,需要根据建筑行业规范的基本要求进行综合考察,合理分析建筑结构特征,设计出最佳方案.本文通过对高层建筑剪力墙结构设计的原则及方法的研究,总结出一系列技术指标的调整方法,并作相关阐述.

关 键 词：高层住宅建筑结构剪力墙剪重比倾覆力矩

一、引言

随着我国经济建设水平的逐步提高,以及社会的进步与发展,我国的城市土地资源一度出现了紧张的状态,住宅建筑的高度日益成为建筑设计及结构设计的重点课题.当今社会,高层住宅以及超高层住宅建筑越来越受到建筑设计师和广大居民的青睐,同时也反映出高层及超高层建筑将逐渐成为主流住宅类建筑物的发展趋势.

在高层住宅建筑中,一般较多地采用了剪力墙结构体系.而且,在同一建筑物的整体设计方案中,由于混凝土和钢材含量的差别,往往会导致不同结构的剪力墙的布置方案以及各项经济指标都会存在一定的差异.由于当前国内各个地区的高层及超高层住宅建筑在建工程非常之多,而且不可避免地会涉及到一定的地震区域,因此迫切需要提高我国的高层住宅建筑设计水平.提高高层住宅建筑结构设计水平,在充分满足行业规范要求和各项技术指标的前提下,通过优化设计高层建筑的剪力墙结构而降低建筑工程造价,是我国高层住宅建筑设计领域的一个重要发展方向.

二、高层住宅建筑的剪力墙结构设计方法

高层建筑的剪力墙结构设计,需要根据建筑行业规范的基本要求进行综合考察,对其结构的合理性进行分析,例如：剪力墙结构不宜设计过大的刚度,具体设计值应该以建筑行业规范所规定的楼层最小剪力系数为目标值,调整设计参数以控制计算结果无限接近规范限值,同时满足楼层层间的最大位移与层高之比符合规范限值.

第一,根据不同的剪力墙结构特点,设计符合实际需求的墙体结构.

抗震设计时,高层建筑的一般剪力墙和简体墙所承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50%,工程上将该数值落在40%～50%区间以内的情况称为短肢剪力墙结构.高层建筑的剪力墙结构设计应该严格遵循《高层建筑混凝土结构技术规程》中的相关规定,该规程严格规定出高层建筑结构不应该全部设计为短肢剪力墙结构.经分析发现,当建筑结构的短肢剪力墙设计较多的情况下,应该尽量采用布置简体的形式或者直接选用一般剪力墙结构,进而形成由短肢剪力墙与一般剪力墙共同抵抗水平力的剪力墙结构.

第二,合理优化剪力墙的外形及尺寸,设计最佳比例的剪力墙结构.

在高层建筑的剪力墙设计过程中,需要特别注意保证其结构的竖直方向和水平方向具有最佳的刚度和载荷分布,尽量将剪力墙的墙肢截面高度设计为比8倍墙厚稍大,两间合并布置应选择大开间剪力墙,否则应尽量避免按照开间布置,以满足竖向载荷传递需求.剪力墙的形状设计应该尽量选用有利于剪力墙结构稳定性的“L”形和“T”形两种,这种结构同时能够保证剪力墙具有较好的侧向刚度,减轻墙体自重,减小结构体积,降低工程投资额度.根据工程设计经验,剪力墙中以“L”形及“T”形设计最为常用,当一个方向的剪力墙符合一般剪力墙设计要求时,另一个方向的剪力墙不宜设计过短,以免出现较大的配筋,因此应该控制在1m左右,并且墙端暗柱配筋应以接近构造配筋为佳.

第三,合理利用剪力墙结构设计来处理地下室及建筑地基基础.

高层建筑一般会附带地下室部分,因此对于地基基础设计具有特殊的要求.一般而言,对于自然条件较好的施工区域,可以因地制宜,采用天然地基或复合地基.如果建筑楼宇的层数超过十层以上,则多采用比较经济的梁板式筏形基础,如果建筑楼宇的层数超过二十层以上,则最适合采用平板式筏形基础.无论采取哪种基础形式,其具体方案的确定都需要充分参考剪力墙的间距设计,同时受到结构的抗震设防烈度、层数、地下室结构等因素的综合影响.

三、高层住宅建筑剪力墙的相关技术指标调整方法

通过对高层建筑剪力墙结构设计的原则及方法的研究,笔者对剪力墙结构设计中需要重点关注的各种技术指标的调整方法进行分析.

第一,楼层剪重比调整方法.

楼层剪重比即最小剪力系数,其具体处理方法是：首先应该满足短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不超过结构总底部地震倾覆力矩的40%,然后在此前提下尽量减少剪力墙布置,并以大开间剪力墙布置方案为设计目标,使墙体结构具有适宜的侧向刚度,有效减轻结构自重,减少地震作用,降低工程造价.

第二,楼层间位移调整方法.

层间位移,即层间最大位移与层高之比.在对楼层的最大弹性层间位移进行计算时,除去以弯曲变形为主的高层建筑可以不扣除结构整体弯曲变形之外,其余都应该考虑扭转变形.因此,剪切变形及扭转变形是一般高层建筑的设计重点.剪切变形的控制主要是由竖向构件的数量来决定,如果竖向构件过多且布置不合理,则会产生过大的扭转变形,无法满足层间位移的要求.因此,高层建筑应该尽可能设计出最小的扭转变形,避免由于盲目增加竖向构件而影响整体刚度.

第三,剪力墙连梁超限的调整方法.

剪力墙连梁的跨高比不宜小于2.5,如果跨高比小于2.5则容易出现连梁弯矩和剪力超过规范限值.同时规定剪力墙不宜大于8m长度,倘若长度大于8m则应选用弱连梁将其分开.在实际工程设计中,需要充分利用相关设计规范和标准,谋求最佳的工程设计方案及工程造价,例如：将跨高比不高于5的连梁和剪力墙墙肢长度进行参数优化,获得连梁跨高比为6的框架梁,而保证刚度不发生任何折减和损耗,改良之后的钢筋及混凝土用量均小于前者,降低了工程投资额度.

第四,偶然偏心影响的地震作用下,楼层竖向构件的位移比的调整方法.

楼层位移比,即楼层竖向构件之间的最大水平位移和层间位移之比.该指标的调整应结合位移及扭转比的调整同时进行,也可以在满足位移及扭转比的情况下进行微调.对于计算结果,当其中X向或Y向中的某一方向上的位移比需要调整时,可以通过加大该侧的抗侧力构件刚度或者减小对应一侧的抗侧力构件刚度进行调整.

第五,楼层结构周期比的调整方法.

楼层周期比,即以扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比.根据各种震害资料显示,对于平面不规则、质量与刚度偏心、抗扭刚度太弱的结构,很容易在地震中产生严重的破坏,因此应该充分保证其结构的抗扭刚度.在实际工程设计中,应将结构竖向构件尽可能沿建筑周边布置,提高结构的侧向刚度和抗扭刚度,如果在结构的形心附近加大竖向构件刚度,则对侧向刚度的影响较大,而对结构整体的抗扭刚度影响比较微弱.

四、总结语

作为一名构设计工作者,需要在执行好国家各项设计规范、保证结构安全经济的前提下,立足于竞争激烈的市场.高层建筑剪力墙结构应用量比较大,必须进行反复的优化设计,通过概念设计来调整各项技术参数,使结构达到相对较优的结果.