建筑结构设计中剪力墙结构概念设计的应用

建筑结构设计中剪力墙结构概念设计的应用

闫海军

山东新元建筑规划设计有限公司 山东威海 264300

摘要:建筑结构设计中概念设计的内容是从宏观角度出发，在结合了相关设计者的设计思维后，对相关建筑结构进行合理化和规范化的设计方式。剪力墙结构的概念设计是指运用对建筑结构体系和地址工程力学的正确认识，妥善处理建筑结构设计中的各种问题。在经历了地震灾害后，人们逐渐认识到剪力墙结构概念设计的重要性。通过对剪力墙结构概念设计的基本原则的运用，将剪力墙结构概念设计具体应用于工程中，通过对工程结果的分析，理解剪力墙结构概念设计的重要性。

关键词:剪力墙结构;概念设计;建筑结构设计;运用

1剪力墙结构概念设计的基本原则

1.1选择多道抗震设防体系

建筑主体结构应按多道抗震设防体系进行设计。为了抵御灾难性地震，结构的某些部分可能会在局部位置屈服或开裂，随着这种屈服的扩张，将延长建筑物的振动周期并增加其阻尼，使其能够耗散大量地震能量。因此，多道设防的建筑物能够抵抗强烈的地震作用，而不会出现重大的结构破坏。

1.2选择合适的刚度

在地震作用下，结构的振动周期会随着结构刚度的增加而缩短。如果建筑结构刚度过高，将承受更大的地震荷载，遭受更严重的破坏^[1]。如果建筑结构刚度太低，风荷载和地震荷载产生的侧向挠度会增加很多，这样会影响建筑物的稳定性和正常使用性能。因此，选择合适的刚度对建筑物的安全性、经济性和使用性能有着直接的影响。

2建筑结构设计与概念设计

2.1建筑结构设计中的概念设计

建筑结构设计中的概念设计，能够在结合设计师经验的情况下，有效提升建筑安全系数降低施工成本。实际上概念设计指的是设计师在通过对实际建筑施工现场情况进行具体分析后，对相关建筑项目整体设计方案进行的概念化估算和比较。在此基础上再有效结合设计师经验和相关设计理论就能得出的较为合理的设计方案，以达到满足建筑结构设计多方面需求的目的。

2.2建筑结构设计与概念设计的区别

建筑结构设计与概念设计二者之间存在着较大差异。首先，所谓建筑的结构设计是根据有关力学的原理再加上复杂的数学计算结果，将得出结果有效转变为设计构造的设计方式，其更加注重于理性的计算结果^[2]。而建筑结构设计中的概念设计与结构设计不同，其则更加注重的是设计师个人经验在整个建筑设计过程中的宏观指导作用。其次，建筑设计过程中的结构设计更加注重对于建筑整体结构的不断优化，但在一定程度上会受到计算准确程度的影响。而建筑结构设计中的概念设计内容则更加注重在建筑整体上的优化内容，其设计水平的高低会在一定程度上影响到整体建筑工程的施工成本和工期的长短。

3剪力墙结构概念设计在工程中的应用

3.1项目概况

本工程为高层住宅，建筑高度78m。地下1层，地上26层。地下室层高4.0m，一层层高5.5m，其余层高均为2.9m，总建筑面积11134.57m²。工程采用剪力墙结构体系，抗震设防烈度为8度，设计地震基本加速度为0.30g。

3.2结构布置

图1两种结构布置方案

两种剪力墙结构布置方案如图1所示。整体结构的形状对地震反应有很大的影响，刚度或几何不连续的结构可能承受极大的地震力，产生非常大的位移。结构要具有合适的刚度和足够承载力，绝大部分结构构件应在整个建筑平面上均匀对称分布。剪力墙结构沿墙的长度方向即平面内抵抗侧向力的能力很强，但沿墙的厚度方向即平面外抵抗侧向力的能力很弱。设计时通常忽略墙对平面外水平力的横向阻力，为了使两个方向都具备抗侧能力，通常让两个或两个以上的墙垂直相交，以提供对所有方向侧向力的承载能力^[3]。为了减少地震对建筑结构产生的扭转效应，可根据建筑物的质量特性进行设计，当刚度中心靠近所施加侧向力的质心时，抗扭转效果最好。根据工程经验，剪力墙的合理长度为2.0～3.5m，不小于5bw(bw为壁厚)。本工程的一层剪力墙厚为250mm，其他楼层为200mm。

2.3结果和分析

该结构设计确保其在所有规范规定的荷载条件下具有足够的强度、刚度和稳定性。本工程采用PKPM有限元分析软件进行分析，计算结果如下:

2.3.1楼层层间位移角的对比

层间位移角(即层间最大位移与层高之比)是控制结构不规则性与整体刚度的主要指标。限制层间位移角可以保证主体结构处于弹性阶段，以防止混凝土构件变形过度造成开裂;可以确保填充墙、各种管道和其他非结构构件处于良好状态，且无明显损伤。地震工况下方案1X方向层间位移角为1/846，Y方向为1/870;方案2X方向层间位移角为1/1421，Y方向为1/1366。风荷载工况下方案1X方向层间位移角为1/1579，Y方向为1/1549;方案2X方向层间位移角为1/1328，Y方向为1/1275。地震荷载+风荷载工况下X方向层间位移角为1/1204，Y方向为1/1153;方案2X方向层间位移角为1/1102，Y方向为1/1021。从中可以看出，方案2的最大楼层偏移角满足规范要求，而方案1不满足规范要求。(地震和风荷载作用下最大层间位移角限值分别为1/1000和1/1100)。

2.3.2横向刚度对比

剪力墙是主要的抗侧力构件，承担着近80%的水平地震和风荷载作用。剪力墙的抗侧刚度直接影响结构的安全性能和造价。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》，楼层的侧向刚度不小于其上一层的70%，不小于其上三层平均刚度的80%。结果表明，方案1和方案2剪力墙的侧向刚度均满足规范要求。

2.3.3振动周期的对比

周期比(即扭转周期与平动周期之比)是控制结构扭转的重要指标，反映了扭转刚度和转动惯量的分布情况。控制周期比(即控制扭转变形小于平动变形)是为了使结构布置合理有效，不产生过大的扭转效应。计算结果是t3(1.5429)/t1(1.8644)=0.827＜0.9(方案1)和t3(1.4510)/t1(1.6929)=0.857＜0.9(方案2)。t1和t3分别定义为振型1和振型3的振动周期，由结果来看方案1和方案2均符合规范要求。

2.3.4刚重比和剪重比的对比

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》的规定，只有在竖向重力荷载作用下，结构发生整体失稳可能性较小^[4]。高层建筑稳定设计的目标是控制风荷载和水平地震作用下重力荷载引起的二阶效应。刚重比结果分别是:方案1X方向为7.73，Y方向为7.71;方案2X方向为8.66，Y方向为8.71。剪重比结果分别是:方案1X方向为4.17%，Y方向为5%;方案2X方向为4.72%、Y方向为5.40%。从中可以看出，两种方案X、Y方向的刚重比均＞1.4，满足整体稳定要求。方案2的剪重比＞0.048满足规范要求，方案1的剪重比不能满足规范要求。

结束语：

通过运用高层建筑结构抗震设计基本原则，使用有限元分析软件对某剪力墙结构的两种不同布置方案进行了对比，从对比中可看出剪力墙结构概念设计在建筑结构设计的应用。结果表明，在概念设计阶段，方案2更符合抗震设计基本原则，在结构响应方面优于方案1，由此可以看出剪力墙结构概念设计的重要性。

参考文献：

[1]王庆华.分析建筑结构设计中剪力墙结构的应用[J].建材与装饰,2018(30):115-116.

[2]杨爱学.高层建筑中剪力墙结构的设计要点分析[J].建材与装饰,2017(45):78-79.

[3]赵文觉.建筑结构设计中剪力墙设计的解析[J].建材与装饰,2016(26):131-132.

[4]刘保忠.浅谈剪力墙在建筑结构设计中的应用[J].四川水泥,2016(01):97.