剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用分析郑先鹏

(整期优先)网络出版时间:2017-12-22
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剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用分析郑先鹏

郑先鹏

芜湖鸠源建筑设计有限公司安徽省241006

摘要:剪力墙借助自身的刚度大、成本低等优势在建筑工程发展中使用范围越来越广,特别是在房屋建筑中,剪力墙的应用情况更为明显,不仅实现了承重墙与填充墙的融合,节省空间,促进施工简单,具有外观美的特点,还可以有效的提高建筑企业的经济效益。剪力墙结构设计的合理、科学是保证剪力墙在建筑结构设计中广泛应用的有效基础。任何一种剪力墙的设计都要依据一定的设计原则,只有合理的设计才能在建筑结构中发挥更好的作用。

关键词:剪刀墙;结构设计;建筑结构

1剪力墙结构概述

1.1剪力墙概念

剪力墙是实际建筑工程中经常使用的结构墙、抗风墙,剪力墙可有效的承受风或地震等作用导致的相关荷载,保障建筑物安全性和刚度的墙体,剪力墙优点在于良好的抗震性。在剪力墙结构中,墙体的长度和高度相对较大,而宽度则相对较小,并采用钢筋混凝土整体浇筑的方法。建筑设计方和施工方为满足人们对居住住房和办公楼的安全稳定性要求,己经在建筑设计和施工过程中广泛的使用剪力墙,以提高和优化建筑物其整体的建筑施工质量和结构安全。

剪力墙结构应用优点:剪力墙结构具有较好的稳定性和整体性,能够提高建筑物的承载能力;剪力墙结构侧向刚度很大,对建筑物水平方向的荷载有良好的限制作用,适合高层建筑;剪力墙结构无外露梁柱等构件,不会影响建筑内部空间美观和功能的分布。

剪力墙结构应用缺点:剪力墙虽然稳定性好,承载力佳,但对建筑的类别限制较大。因其承重原理是依靠墙体和楼板形成的受力系统,且一旦建成就不易拆除,在空间上更是宜小不宜大,所以对于住宅和宾馆等空间间隔不大的居住类建筑,剪力墙结构比较适用;除此之外,剪力墙对钢材的消耗也较大,在经济性上不具备优势。

1.2剪力墙种类

许多剪力墙为满足功能和使用要求,要在墙体上设置洞口,这就会影响到剪力墙的承载力,因此,剪力墙结构以此为分类依据,主要有:

1.2.1实体墙。当剪力墙上没有洞口或所开的洞口在墙体面积的15%范围内时,对该墙体的荷载承受能力影响较小,仍具有较好的稳定性,不会有异常情况发生,属于实体墙、

1.2.2小开口整体剪力墙。当剪力墙上所开的洞口面积超过整面墙体面积的15%时,从受力图中能看出本应在洞口处呈直线状的正应力己经变成在洞口两侧,此种情形虽然不会使剪力墙产生异常情况,但是在连梁处有反弯现象。

1.2.3联肢剪力墙。剪力墙上的洞口开的过大,或者过多以至于墙体的整体性己经被破坏,此时墙体截面的正应力分布不再是规律的直线,连梁将比它自身承受荷载能力大得多的墙肢联系起来,形成联肢剪力墙,其中仅一列连梁连接两个墙肢的称为双肢剪力墙,一列连梁连接墙肢的称为多肢剪力墙。

2剪力墙结构设计的优化原则

2.1剪力墙平面内外承载力及刚度适当

建筑设计时应注重剪力墙平面内外承载力及刚度适当的原则,应保证剪力墙平面外承载力及刚度较小,而平面内承载力及刚度则相对较大。在实际建筑中,常出现梁与平面外方向的剪力墙连接,此为单侧连接,这会导致墙肢平面外产生较大的弯矩,但常规的设计对墙的平面外的承载力及刚度实际验算量不足;因此,除了特殊的使用需求,通常不要采用平面外单侧连接方式,当确需使用平面外单侧连接方式时,应采取有效的改进方法,保证剪力墙平面外的稳定性。

2.2楼层剪力系数最小

实际工程设计过程中,应保证各楼层间的剪力系数最小的原则,有效降低建筑物重量,防止建筑物的抗震性能降低进而引起严重安全隐患的问题,建筑设计根据短肢剪力墙承受力矩的大小,设计调整楼层间剪力系数达到最小值,并在保证建筑物安全的前提下,合理减少剪力墙的数量,这可以有效降低整个建筑工程的建设成本,避免资源浪费,在合理范围内扩大建筑各方和建筑用户的经济利益。

2.3楼层间位移最大化与层高比

在建筑设计过程中,应实际调整层间位移和层高比,以保证楼层间位移最大化和层高比的原则。与传统建筑结构相比,剪力墙结构设计计算位移没有加入建筑结构变形因素,其位移计算关键点是楼层间的弯曲变形情况,而通常剪力墙结构楼层间发生的弯曲变形主要是扭转和剪切,就剪切变形而言,其主要受建筑结构中剪力墙布置的影响,剪力墙的布置应根据实际建筑情况进行有效调整,使其数量适中,保证楼层间不会出现扭转变形或变形程度较小。

3剪力墙在结构设计中容易出现的问题

建筑结构的设计离不开剪力墙结构的设计,建筑物的安全、适用、合理、经济性都依赖于好的剪力墙结构设计。因此,除了门窗洞口没有任何后砌填充墙的剪力墙结构,也就是全剪力墙结构,其侧向刚度太大,此时地震作用对建筑的影响也会变大。在剪力墙结构中,若将剪力墙纵向钢筋平均配置于所有的墙段内,就不是很合理,纵向钢筋应向着墙肢端部来集中而不是配置于墙肢中部,因为这里的钢筋是不能充分发挥其作用的。

4剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用

4.1平面布置

明确定位剪力墙设计要点,平面布置应尽量均匀、对称,同一平面内外的剪力墙结构的质量中心和刚度中心应完全重合,减少扭曲,增加整体性。建筑结构设计过程中较长的剪力墙结构要设计开洞口,并均匀分配成长度相等的几段墙面,为避免剪力墙发生剪切破坏,相关设计指标规定:每段独立墙面总高度与截面高度之间的比例必须≥2。剪力墙结构洞口应要保证上下对齐,成列布置,避免墙洞交错叠合导致剪力墙受力复杂刚度减小,否则剪力墙结构容易变形,发生工程事故。在建筑结构抗震功能设计时,进行双向或多向设置对剪力墙结构的功能性有一定的保障,形成一定的空间工作结构。当剪力墙结构洞口与墙边或洞口与洞口之间形成墙肢截面高度与厚度比小于4的小墙肢时,应按照框架柱的设计方法对该剪力墙进行配筋。对较长的墙肢要分为两个墙肢施工,超过8m长的墙肢都应设置施工洞使其划分为小墙肢。

4.2墙肢截面厚度

在剪力墙结构设计中,对墙体厚度设计有明确规范要求,例如短肢剪力墙,规范规定其底部加强部位厚度不能小于0.2m,其他部位必须大于0.18m。剪力墙的厚度应按阶段变化,为防止剪力墙结构发生刚度突变,剪力墙阶段变化范围应控制为50-100mm,且要均匀连续变化,当混凝土等级和厚度改变同时发生时,设计时应将两者错开楼层。剪力墙结构墙体厚度的规范性设计能有效保证墙体的稳定性和刚度,直接决定了建筑结构的整体性和安全性。

4.3剪力墙结构连梁钢筋配置

连梁是高层建筑的重要承重构件,按照国家四级地震抗震等级来说,剪力墙结构的配筋率不得低于0.2%,前三级抗震则要求不能低于0.25%。因此,在剪力墙结构设计过程中,连梁配筋率必须严格按照相关指标进行,结合实际对建筑结构连梁进行精确的承压计算,可适当增加剪力墙的配筋率,有效防止扭曲、剪切力对建筑结构的破坏,同时也不可盲目增加,避免剪力墙结构自身受力过大影响其抗震性。

4.4边缘构件设计

在建筑结构设计中,设计剪力墙时,剪力墙的边缘构件也是一个比较重要的部分。剪力墙结构的边缘构件主要有约束边缘构件、构造边缘构件等,增加边缘构件的延展性,能防止剪力墙结构产生水平位移等问题。

结束语

随着社会经济的发展,高层建筑的发展越来越快,剪力墙的应用则更加具有普遍性,提高剪力墙结构的优越性,完善剪力墙结构在建筑结构体系中的应用至关重要。在剪力墙结构设计应用中,不仅需要创新设计方式,还应该吸收国外的成功经验,推动我国建筑工程设计水平的提高。

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