复杂剪力墙分析与设计

复杂剪力墙分析与设计（精选8篇）

复杂剪力墙分析与设计 篇1

1 前言

剪力墙是钢筋混凝土结构体系中的一种重要构件，通常用来承受竖向压力和侧向水平力，对结构刚度贡献非常大。普通剪力墙采用壳单元与边界不协调模拟分析、简化内力求解和面内压弯设计即可得到较好的结果，国内大多软件均为如此。但是，当剪力墙的布置、形状和形态比较复杂时，采用普通剪力墙的分析方法和设计方法可能导致较大的误差。因此，把布置、形状和形态不合常规墙体，按复杂剪力墙考虑，图1～图4列举了部分复杂剪力墙类型：

实际工程中普通剪力墙占大多数，但在一些复杂工程中可能出现异形墙、梯形墙、倾斜墙、框支剪力墙和弧墙等，尤其错洞剪力墙和框支剪力墙会在大多数工程中出现。目前，对这些类型的复杂剪力墙设计通常采用简化方法，比如异形墙简化为矩形墙；错位洞口的剪力墙，在求墙梁内力时，没有对应截面的应力积分，而得到错误的内力；框支剪力墙采用梁元模拟转换梁等，造成局部两种单元模型混合，使得转换梁内力不合理。对于异形墙、梯形墙在简化后无法与周边构件协调共同工作，计算存在误差。

基于上述，对复杂剪力墙的分析、内力求解和设计需要区别于普通剪力墙。本文提出对复杂剪力墙采用周边完全协调网格划分与壳元模拟分析，洞口错位、错层剪力墙计算截面线，并沿该截面线进行高斯积分，求解墙柱、墙梁内力，在对复杂剪力墙面内压弯、拉弯设计的同时进行面外承载力、稳定验算等设计。

2 复杂剪力墙的有限元分析

一般墙体与周边构件的中部边界是否协调，对墙本身内力和周边构件内力影响比较小，但对复杂剪力墙则可能会有较大的影响，尤其对于异形墙、梯形墙和倾斜墙与周边柱、支撑等的协调对内力影响非常大，因此对复杂剪力墙的边界网格协调是非常重要的。如图5～图9的对比。

图5：垂直异形墙与周边斜柱（斜撑）的网格协调；

图6：上下墙体洞口错位处墙梁的网格协调；

图7：倾斜墙体与周边斜柱（斜撑）的网格协调；

图8：斜墙顶部与边框梁协调；

图9：错层剪力墙与层顶楼板和层中楼板的网格协调。

如图中所示（带圆圈和矩形圈），这些节点是墙与周边构件协调点，这些节点会对墙应力有重新分布的作用。

复杂剪力墙既要承受水平荷载作用，又要承受竖向荷载作用，在有限元模拟角度来看也和普通剪力墙是一样的，用壳元来模拟其受力状态是比较符合实际的，既具有平面内刚度，又具有平面外刚度。一般设计软件为了提高分析效率和降低剪力墙描述难度会采用静力凝聚原理构造超单元，为了减少自由度，提高计算效率，通常把刚度凝聚到墙四周端部节点，但在复杂剪力墙分析时，必须把刚度凝聚到墙所有的周边节点，以保证异形墙等周边构件有很好的协调。

3 复杂剪力墙的内力形成

在通过有限元分析得到各个节点内力后，需要计算一片墙体的内力用于设计。通常采用标准公式KD=P来计算，为了简化以提高效率，在求内力时，墙柱只取上下两个截面，内力只取两个截面上单元划分后的节点进行应力积分。同样墙梁也只取左右两个截面，内力只取两个截面单元划分后的节点进行应力积分。这样虽然提高了效率，但得到的墙柱、墙梁内力存在较大误差，尤其是墙梁跨度大时，跨中内力没有控制计算，造成墙梁设计的安全隐患。

对于普通剪力墙，这种计算方法基本可行，当墙体复杂时，误差放大。本文专门针对复杂剪力墙开发了截面线计算，沿截面线进行多点积分，最后形成内力。该方法在要求墙体单元划分与周边协调的基础上，根据不同的积分线长度，进行多点积分（最多达50个）。由于提高了截面积分的点数，保证了内力变化规律，从而大大提高墙柱、墙梁内力的准确性。

根据墙元划分情况计算其每个小壳元的各高斯点上的应力，按应力外推公式求出小壳元各节点上的应力并记录，根据积分线上的积分点坐标，在单元内进行应力插值，求出积分线上各积分点的应力，最后求出墙元的内力（弯矩、轴力、剪力）。本文把墙柱墙梁划分为8段9个积分截面，在9个积分截面上通过多点的高斯积分得到9个截面的内力。如图10～图13为9个积分截面线的图示。

对一般的墙柱、墙梁的内力通过沿等长度截面线积分得到，对上下错洞造成墙梁（见图11），截面线有部分在上部墙体中，其中墙梁高度以上层洞口的下边标高为准，跨度以本层墙梁跨度为准，这样计算出该错洞墙梁的积分线，从而得到准确的墙梁内力。对异形墙积分线的准确计算决定了内力合理性（见图13),9个截面上的内力差异也随着截面变化而有非常大的变化，配筋差别较大。因此，仅采用墙顶底截面内力有较大的安全隐患。

从上面分析可以看到，截面线的数量、位置、积分点数，决定了墙柱或墙梁内力计算的准确性。因此，在对剪力墙内力计算前先要计算出合理的积分截面线。由于复杂剪力墙存在一定的任意性，但是墙底部截面应该是水平的（这是约定的要求，否则成为任意形状的空间墙体），所以从底部截面的几何位置向上搜索，得到复杂墙体的竖向各截面线。如对图13异形墙体墙顶布置均布荷载可通过本文方法求得内力，如图14和图15。

从图14和图15中可以看出每个截面线上的内力变化，随着形状的变化和自重分层计算可以看到内力曲线在局部出现转折，也基本反应了该墙体在竖向均布荷载下的内力变化规律。在实际复杂结构中，墙体内力呈现多种变化，更加突出了复杂墙体中最大内力出现位置并不一定在墙体的顶部或底部，图11是实际工程中的错洞剪力墙，其内力图如图16、图17。

4 复杂剪力墙的设计方法

剪力墙的设计是根据其受力特点按照正截面中沿截面腹部均匀配置纵向钢筋的偏心受压构件进行配筋设计。即对剪力墙正截面采用压弯设计方法。从理论上，普通剪力墙设计方法和复杂剪力墙的设计方法是一致。但是由前所述，复杂剪力墙的内力规律具有任意性，因此其应该根据9个设计截面上的内力对墙分别按压弯或拉弯设计，然后求9个截面配筋最大值作为该墙体的配筋结果。并对错洞剪力墙、异形墙等在适当位置增加构造措施避免薄弱位置，如图18和图19。

面外水平力作用和整楼的重力二阶效应通常会导致剪力墙面外失稳，而墙体的失稳可能导致剪力墙提前退出结构工作，使结构的抗侧刚度不足，对结构整体有较大影响。因此墙体的稳定非常重要。对于普通垂直墙体可采用下面公式验算。

式中，q为作用于墙顶组合的等效竖向均布荷载设计值;Ec为剪力墙混凝土弹性模量；t为剪力墙墙肢截面厚度;l0为剪力墙墙肢计算长度。

在复杂剪力墙中，垂直的剪力墙面外稳定验算仍然可采用上式验算。但倾斜墙体自身就是面外不稳定，在不考虑水平力作用下，倾斜剪力墙承受竖向荷载时就需要较大的平面外抗弯刚度来确保其面外稳定性。因此，对倾斜剪力墙应考虑面外的分布筋校核，或通过一些构造措施来，以满足面外有足够的承载力。比如在墙面外每隔一定距离加一道与其垂直的梯形墙体（见图20），或者通过面外框架对其面外稳定做辅助作用。

由于倾斜墙的这种面外失稳可能导致墙体侧边抗弯刚度不够，提前出现横向裂纹，使得剪力墙的抗侧力作用并未完全发挥就退出了工作，这种倾斜墙在实际工程尽量少用，除非有较好的构造措施能保证其面外稳定在正常使用状态下不会出现问题。

5 结语

在实际工程中可能出现各种各样的复杂情况，使得剪力墙的位置、形态等可能超出预想，从而形成复杂剪力墙。复杂剪力墙分析需要从网格划分、网格协调和刚度集成等方面考虑，完全采用有限元理论分析得到应力。然后通过高斯积分得到相应的多截面内力，以避免复杂剪力墙内力的离散性。因此，复杂剪力墙的设计需要把墙分多段积分计算内力，理论上分无数多段可逼近真实解。然后根据多段设计配筋。

复杂剪力墙在实际工程中出现较多，目前一些设计软件并不能准确分析和设计复杂剪力墙，因此设计人员需要根据墙体所在位置、形态和形状的特征增加构造措施。

摘要：根据一些剪力墙的特殊属性提出了复杂剪力墙,并给出了几种常见的复杂剪力墙模型。文中从网格划分、节点协调和刚度集成等方面阐述复杂剪力墙分析;从高斯积分求内力、内力截面线、多截面设计和墙体稳定等方面阐述了复杂剪力墙设计的特征和构造要求等。

关键词：复杂剪力墙,剪力墙分析,剪力墙设计

参考文献

[1]黄吉峰,杜文博,邵弘,等.基于广义协调技术的剪力墙超单元[J].力学季刊,2008,29(1):150-157.

[2]JGJ3—2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3]徐培福,傅学怡,王翠坤,等.复杂高层建筑结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

复杂剪力墙分析与设计 篇2

关键词 复杂网络 软件体系 程序分析

中图分类号：TP3 文献标识码：A

0前言

网络信息技术的飞速进展，促使人们的各项生活不断的自动化、智能化、信息化、现代化，这在很大的程度上推动了国内经济的发展。基于复杂网络之下的Java程序分析工具之中，其JPAC的运用，合理有效的提升了Java软件体系的可靠性、稳定性以及高效率，有效的推进了现代化软件产业的持续发展。

1 JPAC工具原理及整体结构

1.1 软件体系结构

JPAC工具最主要的目的就是为Java软件的相关体系结构构筑复杂网络。Myers其定义了一个可以代表相关的软件体系结构网图，也就是软件协作图（SCG），其与UML中的类图非常类似。可以进一步把SGG进行细化为了可以描述Java软件体系结构的JavaSCG。如图1，简单JavaSCG构建实例。

图1 简单JavaSCG构建实例

把其构建的JavaSCG作为是可以代表Java软件体系结构的对应网络，能够对相关的网络特性实行详细的分析。网络级特性也就是代表了全局特性，这些特性合理的反映了Java复杂软件体系中对应复杂网络情况。

1.2 软件体系结构演化

复杂网络也还具有一定的演化特性，依据复杂网络的演化模型演化相关的网络，并且在相关的演化之后依然具备复杂网络特性。

图2 基于模块软件的演化模型演化过程

有研究人员把复杂网络演化概念应用至软件体系结构中，并提出一种基于对应模块的软件演化模型。该演化模型合理的模拟了软件体系结构的复杂网络特性形成的全部过程，并且和复杂网络的相关演化一致，软件体系结构会依据该模型的对应演化，从而得到的网络仍然具备复杂网络的相关特性。如图2，为该模型的具体流程图，P1、P2、P3代表了相关的过程被执行概率，在进行新边链接时考虑了其相关的软件结构模块的存在。

1.3 工具整体结构

考虑到前两小节所述，JPAC工具是应合理的实现Java程序相关代码实行分析，并为相关的Java软件体系结构构件复杂网络的相关功能。并且对构件好的相关复杂性网络，展开复杂性网络特性合理分析，有效的显示软件体系结构复杂网络的相关特性，并进行合理有效的软件结构演化规律。与此同时，JPAC工具也能够提供较为抽象化的复杂网络，促使人们能够对其相关的特性及演化规律展开模拟性研究。所以，可以把JPAC工具的相关功能依据对应层次展开划分，主要可以分为三个层次的模块：

（1）数据分析层

其是相关工具的最底层，主要是和Java的代码文件或者是XML文档展开对应交互，并封装了Java的代码以及XML文档至相关的网络计算所表示的构建过程。其能够不依靠于高层数据运算层及用户界面层的相关存在，所以对应的用户能够依据其需要来增加数据分析层所需要的各类对应功能。

（2）数据运算层

其有效的呈现了依据数据分析层所提供的相关网络功能运算，例如，统计分析和演化模拟运算。该运算是指对相关的网络计算机的表示实行对应操作以及计算。数据的运算层可以进行一定程度的扩展，属于可扩展层次。

（3）用户界面层

用户界面层是处在最上层的，其是负责把相关的网络计算机表示呈现为可视化，把其运算的结果可视化，并为用户提供可靠的操作等。

2 基于复杂网络的Java程序分析工具设计

对于JPAC工具设计来讲，依据JPAC工具结构可以将其分为三个层面，数据分析设计、数据运算设计以及用户界面设计，以合理有效的呈现JPAC对Java的系统软件运用复杂网络进行构建，也就是进行JavaSCG的构建。

2.1数据分析设计

在对应的数据分析中，数据分析层则主要包括了Java代码以及存取XML文档、计算机网络的内部网络功能从而生成三个主要的功能，在JPAC工具的相关设计中可应用BCEL技术来实行字节的码文分析以及DOM技术对XML文档分析，其能够构建相对应的网络，并且对其储存，提供给较高层运用。对于数据分析层来讲，其有五种类图来同步完成相关数据分析层的功能支持。ProgInput是属于抽象类图，能够对Java相关的文件实行读入以及解析操作，以有效的呈现Java文件的相关解析；XMLParse则是应用DOM技术对XML文档实行一定程度的解析，进而合理的呈现XML文档的对应读入及保存；DataLayer是较为抽象的一种图类，其可以用于相关的保存构建网络；JavaBinDataLayer是具体化类图，其应用于保存Java体系的结构构建网络；RandomDataLayer属于具体化类图，其用于随机网络的保存。

2.2 数据运算设计

在JPAC的相关工具设计过程中，是基于JavaSCG的相关构建，数据的运算层能够实行多种运算，并且依据实际用户的各种需求来实行功能的扩充，所以，JPAC工具的相关数据运算层能够实行一定的统计分析以及演化模拟运算。

2.3 用户界面设计

在相关的JPAC工具中，对应的用户界面设计是应用EdlipseRCP框架，其运转的速度较快以及相对应的功能强大、可扩展等特性，属于RCP在Eclipse上所研发的一种客户端的运用平台。其开发了对应的插件功能，依据客户的不同需求，来呈现JPAC的扩展。因为Eclipse以及Java具备一定的跨平台功能，所以，JPAC工具能够在多种平台之下运行。

3 复杂网络环境之下的Java程序分析功能实践

Version1.5JDK为例，运用JPAC工具的相关复杂网络统计特性来展开计算。经过对V1.5版本的JDK之中的Java包分析而获得，其网络的中心节点读书较大，并且在中心周围也会分布着些许度数较大的相关节点，小节点主要分布在网络的周边，这充分的显示了无标度特点的相关迹象。依据上述分析可得，JDK系统结构的网络是具备小世界的对应效应以及幂率度分布特性，这就证明复杂网络的特性是在JDK的体系中所存在。

因为JDK体系是最常见的Java软件体系，所以，相关的定义上可以说明复杂的网络之下Java程序的分析工具有着复杂网络特性。并且，经过应用、探究以及分析，能够得到Java软件体系也是具备一定的演化特性，这能够为软件研发人员提供可靠的研究依据，有效的促进软件的研发技术水平持续提升。

4 结语

近些年，信息化的不断进步促使网络化环境逐渐的变得复杂，提升软件对于相关体系的合理支持、管理以及维护，就成为了当下各类软件开发的重点。想要更合理有效的进行软件开发，复杂网络的有效管理，软件的开发人员依据其相关网络特性、性质、变化，合理的提出Java程序的对应分析工具，这样有效的推进Java程序代码分析与复杂软件体系的研究。

Java工具研发以及运用，提供了复杂网络环境为Java软件体系，促进对Java软件的相关体系网络特性及变化规律展开深层探究，推进Java软件体系基于复杂网络之下的探究能够持续探究并创新。

参考文献

[1] 陈焘，李孔文，王树森，顾庆，陈道蓄.基于复杂网络的Java程序分析工具设计与实现[J].计算机科学，2013（4）.

[2] 李龙飞.基于复杂网络的Java程序分析工具设计与实现思路浅谈[J].电脑知识与技术，2014（6）.

复杂剪力墙分析与设计 篇3

由于短肢剪力墙截面的不规则, 其在横向荷载作用下的内力分布十分复杂, 其抗震性能受许多因素的影响很严重, 需要对其进行深入的分析和研究。

1 短肢剪力墙抗震性能的影响分析

1.1 剪滞效应的影响

剪滞效应指在横向荷载作用下, L形及T形短肢剪力墙翼板处截面正应力非均匀分布, 如图1所示, 翼板存在正应力集中, 影响构件正截面承载力的充分发挥, 进而引起构件抗侧刚度的折减, 极大地影响结构体系的抗震延性和刚度[1]。

剪滞效应的影响因素主要如下:

荷载:纯弯荷载、45度荷载作用于L形时在截面内均不产生剪滞效应。只有当剪力流的分布形态具有在某一墙肢上产生集中力的条件时, 构件才表现出剪滞效应。

截面形式:荷载作用方向相同时, 构件截面的剪力流分布形态取决于构件的截面形式, 如十字形截面短肢剪力墙剪滞效应不明显, 而T形、L形两种截面具有明显的剪滞效应。

墙肢高厚比:墙肢高厚比越大, 剪滞效应越明显。

1.2 不同截面形式、肢宽厚比对短肢剪力墙抗震性能的影响

图2和图3分别为短肢剪力墙在低周反复加载条件下, 屈服荷载和破坏荷载与肢宽厚比及截面形式之间的关系曲线。图中S曲线对应的是一字型截面构件, F S曲线对应的是T字型截面构件。

由图2可知, 屈服荷载与肢宽厚比之间并非直线的关系。对于屈服荷载, 随着肢宽厚比的加大而减小。其中, 一形和T形截面的数值相差不大, 但T形截面 (有翼墙) 随肢宽厚比的变化更剧烈, 这可能和T形截面的剪滞效应有关。

由图3可知, 破坏荷载与肢宽厚比之间近似于抛物线关系, 其顶点都在肢宽厚比为6.5处, 这说明该肢宽厚比时, 构件可获得最佳承载力。肢宽厚比过小, 会因受力截面小而使承载力较小;肢宽厚比过大, 会因剪滞效应使承载力反而降低。设计时, 应使截面肢宽厚比尽量靠近最佳值 (6.5) 。另外, 由图3还可看出一形截面的承载力数值较大, 即对于无翼墙的墙体, 更能充份发挥其承载能力。这是由于翼墙在结构受力时主要负担外加弯矩, 而剪力则主要由墙肢腹板来承担。

但有翼墙墙体的延性系数都达到了3.5以上, 其耗能能力较一形无翼短肢墙好得多。因此, 工程中尽量避免使用截面型式为一字型的短肢剪力墙。

1.3 不同配筋形式对抗震性能的分析

根据近年来进行的大量不同配筋形式下各种剪力墙的抗震性能试验研究, 可以给出如下几点结论: (1) 短肢剪力墙按柱 (带暗柱) 配筋比按墙配筋 (无暗柱) 时抗剪承载力、耗能能力都有所提高, 后期强度储备大 (屈强比小) , 有利于抗震; (2) 短肢剪力墙内配置斜向暗撑时, 将明显提高墙体的承载力、刚度、延性。

2 短肢剪力墙设计时尚应考虑的几个问题

2.1 考虑剪滞效应的设计方法

由于剪滞效应, 翼板不能在全部宽度范围内均匀分担截面的弯曲正应力, 其工作状态不是充分有效的, 故短肢剪力墙的配筋设计亦应考虑剪滞效应对构件受力的不利影响。

进行考虑L、T形短肢剪力墙剪滞效应的配筋设计时, 可以采用翼板的有效宽度来反映剪滞效应对墙体构件正截面工作性能和抗侧刚度的不利影响, 如图4中L e即为图1中T形长为L的翼墙有效宽度。有效宽度的计算原则为等效后的正应力分布必须满足弯矩等效和法向力等效。表2给出了几种长度的短肢剪力墙考虑剪滞效应的有效宽度系数 (L e/L) 计算结果, 可作为设计时的参考。

另外, 由于剪滞效应导致翼缘与腹板之间的正应力和剪应力很大, 故应加强各肢间的连接, 使其具有更好的强度和延性。

2.2 短肢剪力墙的配筋方式

短肢剪力墙的配筋方式一般有三种, 如图5所示。第一种为按照柱配筋方式, 即纵筋基本均匀分布在周边, 如图5 (a) ;第二种为按剪力墙的配筋方式, 即在墙端部设暗柱, 纵筋主要配置在暗柱处, 如图5 (b) ;第三种为按柱配筋方式, 但纵筋参照剪力墙布筋方式, 主要配置在暗柱位置, 如图5 (c) 。

由上节可知, 如果能在墙中增加布置斜向暗撑, 则能更好地承受剪应力。但一般由于施工较为复杂, 这种配筋方式尚未普遍应用。故笔者认为第三种配筋方式既可充分发挥端部纵筋的作用, 又可使剪力墙端部有较多有抵抗剪应力的钢筋, 是一种较好的短肢剪力墙的配筋方式。

2.3 体系布置的要求

短肢剪力墙体系的布置除满足一般的概念设计外, 还应注意如下几个问题。

(1) 由于短肢剪力墙结构相对于普通剪力墙结构其抗侧刚度相对较小, 设计时宜布置适当数量的长墙, 或利用电梯、楼梯间形成刚度较大的内筒, 这样既可以避免设防烈度下结构产生大的变形, 又可以形成两道抗震防线。

(2) 短肢剪力墙结构的抗震薄弱部位是建筑平面外边缘的角部处的墙肢, 当有扭转效应时, 会加剧已有的翘曲变形, 使其墙肢首先开裂, 应加强其抗震构造措施, 如减小轴压比、增大纵筋和箍筋的配筋率等以加强小墙肢的延性抗震性能。。

(3) 短肢墙应在两个方向上均有连接, 避免形成孤立的“一”字形墙肢。

3 结语

(1) 进行L、T形短肢剪力墙设计时, 可通过使用有效宽度来考虑剪滞效应的影响。

(2) 肢宽厚比对短肢剪力墙抗震性能的影响不是直线形的, 应尽量按最佳肢宽厚比来进行结构设计。

(3) 带翼墙的短肢剪力墙受剪承载力虽稍低, 但其延性能大大提高, 对结构防止发生脆性破坏有利。

(4) 短肢剪力墙的纵筋尽量采用在墙肢端部, 类似于柱的箍筋作为墙的水平受力筋。

摘要：本文从短肢剪力墙的剪滞效应、截面形式、肢宽厚比及配筋形式等方面对其抗震性能的影响进行了分析, 从而总结出了在短肢剪力墙设计中应注意的几个问题。

关键词：抗震性能,设计

参考文献

[1]罗时磊, 等.短肢剪力墙的剪滞效应及其影响分析[J].西安建筑科技大学学报, 2003, 12.

对剪力墙结构设计中问题分析 篇4

关键词：建筑结构；剪力墙设计；問题探讨

一、框架剪力墙的结构分析

1.框架剪力墙结构的受力与变形

框架剪力墙结构是由两个不同的横向受力结构构成的。剪力墙结构为悬臂梁的垂直，其受力形式和变形曲线与横向悬臂梁类似，和横向悬臂梁一样，梁的长度越长，受力后其边缘的位移增长速率越大。框架结构的受力形式如同受剪切力的悬臂梁，梁的长度越长，受力后其边缘的位移增长速率越小。由于剪力墙的侧移刚度大于框架，因此剪力墙所承受的侧向力要大于框架的侧向受力，同时随着高度的不同框剪结构的水平受力也不断的在调整。框架剪力墙结构承受水平力的主要部位在中上部，因此在做框架剪力墙设计时要考虑协同工作的问题，不能按照纯框架的结构形式来计算，否则会造成结构中上部安全性能低等缺点。

2.荷载倾斜与偏心的影响

我们知道，用理论公式对地基承载力进行求解时，我们是与建筑轴线载荷依据和考虑的问题，可见荷载倾斜与偏心对地基强度也是有影响的。所以说，荷载倾斜与偏心不但是影响地基强度的一个因素，还是建筑结构设计中的重点内容。一般来说，钢筋混凝土楼板和屋盖的整体性能好，在适当位置布设构造柱，并配置相应的构造钢筋，不但能够消除滑移、偏心等问题，还能加强楼板的刚度值、适当放宽对建筑的平面要求，对于建筑的层间变形，也非常容易控制。建筑物作为许多细节构件连接而成的整体，是一个具备空间刚度的结构体系，其能否承受惊人的荷载力量，全看各构件间能不能实现协调工作、有机地形成一个整体，换言之就是建筑各个构建是否形成了轴心体。

3.框架剪力墙的抗震性能

根据我国抗震设计规范的要求“小震不坏，中震可修，大震不倒”的基本原则，当遭遇小震破坏时房屋应该处于正常使用状态，可以进行弹性反应谱进行弹性研究；当房屋处于中震破坏时，也就是房屋可修的情况，此时的状态为非弹性状态，可以通过构造要求来进行结构安全的满足；当房屋处于大震破坏时，由于房屋处于较大的非弹性破坏，因此要保证房屋不能倒塌。

二、剪力墙结构形式以及抗侧移刚度的改进

地震是破坏房屋的一种主要原因，一些高层建筑必须要考虑采用剪力墙结构。因此需要设计人员设计出剪力墙的合理数量。剪力墙数量过多固然结构抗侧移刚度越大，抗地震作用也就相对的较强一些。但是，当结构刚度过大时，由于周期过短，地震作用反而有可能会更加强烈，而且浪费了一定的材料。因此只从抗震方面来看，剪力墙并不是越多越好，选取合理的剪力墙数量才能达到结构稳定的优化。在地震作用中一直存在着刚性与柔性的说法。

剪力墙抗侧移刚度此外还受到基底倾斜和地面倾斜的影响，比如说两个相邻基础的影响、地基与上部结构共同作用的影响与加荷速率的影响等等。那么怎么样对一个工程项目实施建筑的基底与地面的布局与结构布置？这通常与建筑物剪力墙的平立面直接相关。有地震数据表明，简单、规则的建筑其抗震能力普遍较强。这是因为复杂式建筑在地震发生时基底构件的强度与刚度达不到一致规律，导致结构扭转非常明显。因此，在对建筑剪力墙结构的设计中务必加强措施，尽可能遵循建筑物的均匀对称原则，从总体上保证建筑物的基底与地面的稳定性，确保相关的地震反应数据计算审核无误，这样就可以在建筑物发生沉降时可以明确荷载的传递途径，最大化地避免基底倾斜和地面倾斜对建筑物剪力墙构成的影响。

通过实践我们可以知道，不同的建筑形式在相同的受力荷载作用下地基破坏程度也不同，比如说L形、T形、Y形等不规则平面建筑，较之其他结构形式建筑，它们的破坏率明显增高；对于那些大底盘式的高层建筑，在相邻楼层质量突变较大的情况下，其破坏程度势必加重；此外，由于建筑结构形式差异，防震缝设置的宽度问题也有可能导致建筑物发生沉降破坏；楼层平面形心与重心偏移越大，对建筑地基强度的损耗越大。剪力墙抗侧移刚度作为建筑设计中的重要内容，在确定建筑结构体系阶段，会受到许多外界因素如建筑高度、经济状况、场地布置、施工材料等影响，是一个涉及面极广的技术问题，必须经过谨慎的思考才能确定。

三、框架剪力墙结构的连梁

1.剪跨比不同的两种连梁

在框架剪力墙结构中，连梁影响到结构的整体稳定性，所以连梁的设计在结构中合理的运用对于安全性能是至关重要的。当连梁的剪跨比小于5，竖向荷载作用，受力会很小，连梁的所承受的弯矩也很小，因此不会影响配筋的作用。但在水平荷载作用下时，其所承受的剪力很大，所承受的剪切弯矩相应的也很大，容易发生剪切破坏。因此当连梁设计跨高比小于5时，其抗震等级需要与剪力墙抗震等级相同。当连梁的跨高比大于5时，可按照框架结构设计。

2.框架与剪力墙的连接方式

一般来说，框架与剪力墙的连接方式可分为刚接和铰接。当连接框架和剪力墙的连梁是刚接时，连梁的效果体现的尤为明显。框架和剪力墙是通过连梁方式连接起来的，所以框架和剪力墙在结构中能同时作用，结构的整体刚度得到了保证。同时，在遇到大的地震作用时，连梁首先承受地震的作用，并且进入了塑性阶段来缓解地震作用，这样结构的整体稳定性得到了一定的满足。当框架与剪力墙的连接方式为铰接时，在抗震中连梁的作用发挥不大，主要的作用考虑楼板的连接。但通常情况下，楼板需要开设孔洞，例如楼梯、电梯井等。所以楼板的连接就起不到很好的作用，这样剪力墙的约束就会减少，结构整体的刚度就会变小，结构的整体稳定性就得不到满足。

四、结束语

总而言之，随着人类社会的几何发展，建筑的高度越来越高。高层建筑与其他建筑不同区别在竖向荷载密集，因为建筑的垂直不稳定性，导致风载荷和地震载荷的影响是巨大的，这无疑是建筑框架剪力墙结构的设计提出了更高的要求。我希望本文能带来一定的启示作用，提高剪力墙结构中的框架设计建设工程质量，最大程度的发挥其刚度数值以及简洁施工的优势，为建筑业提供必要的技术支持与理论参考。

参考文献

[1]沈光荣；关于框架结构设计中问题探析[J]；城市建设理论研究；2011，（16）.

复杂剪力墙分析与设计 篇5

该工程项目位于福建惠安县, 单层地下室 (人防六级) , 地上三十层, 建筑高度为89米, 至屋顶构架层高度为96.5m, 钢筋混凝土剪力墙结构, 图1为该建筑标准层平面图:

该项目于2010年开始进行设计, 据当时国家现行规范, 结构设计使用年限为50年, 建筑抗震设防类别为丙类, 结构安全等级为二级, 所设计地震分组为第一组, 场地类别为Ⅱ类, 抗震设防烈度为7度, 设计基本地震加速度为0.15g, 特征周期Tg=0.35sec;剪力墙抗震等级为二级, 考虑该项目高度较高, 对风压影响较为敏感, 故采用100年一遇的基本风压0.85KN/㎡进行计算, 地面粗糙度为B类。

2 结构模型布置和电算指标比较

结合建筑平面, 其平面尺寸L/B=2.13, 平面较为规则, 同时采用钢筋混凝土剪力墙结构, 采用中国建筑科学研究院的PKPM计算软件对其进行电算。

2.1 模型布置

图2为电算结构平面图, 经调整, 该电算结果符合《高层建筑混凝土结构技术规范》 (以下简称《高规》JGJ3-2002) 指标要求。

图2中的模型一剪力墙截面主要分布如下:11层以下以300mm为主, 12至23层以250mm为主, 24层以上均为200mm。

在本工程中, 由于业主对空间需求及造价方面的要求较为严格。不希望出现厚墙现象, 尽量增加实际使用空间, 为此, 在模型一的基础上, 对电算模型进行进一步的优化, 优化后的结构标准层平面如图3;

从图3可以看出, 两模型的差异主要在于墙截面及平面端部剪力墙位置, 模型二截面变化较模型一简单, 模型二中, 剪力墙截面标准层2至20层主要为200~250mm, 21层以上均为200mm。

2.2 结构主要控制指标对比

表1是两种模型的周期计算结果, 从表1中的计算结果可知:模型一结构第一平动周期与扭转周期T1/Tt=0.536, 模型二T1/Tt=0.529, 均小于0.9, 且结构第一、第二周期基本为平动, 满足《高规》, 可以看出, 两模型的平面布置均较为规则、合理。

表2中可以看出, 两结构模型的基底剪力和最大层间位移角指标都较为理想, 均符合《高规》中的技术指标要求, 同时两者指标差异较小。

3 模型优化与经济分析

3.1 模型分析

可以看出, 虽然图2、图3两个模型的计算指标都满足《高规》对剪力墙结构的控制指标的要求, 但是, 很明显, 模型二在平面空间和造价上有着明显的优势。

通过与建筑专业的沟通, 结合业主要求, 从以下三个方面对模型一进行分析优化:1.在图2模型一中, 发现墙肢1对整体结构刚度贡献有限, 而且墙肢1本身单片悬挑, 无法保证墙肢在平面外的稳定性, 地震作用时, 考虑可能会由于此段墙肢导致无法整片墙体平面外的稳定性, 故取消墙肢1。2.模型一中, 在结构端部设置的墙肢2与墙肢3, 虽然增强结构的抗扭性能, 但平面端部的剪力墙较为密集, 在使用空间上无法给建筑带来很大的灵活性, 取消墙肢2与墙肢3。3.考虑建筑平面空间的使用取消墙肢2与墙肢3后, 减弱了平面端部的刚度, 必然会导致结构的抗扭刚度下降, 无法保证平面的整体抗扭性能, 相应的要采取措施增加平面的外围刚度, 同时减弱结构平面内部的刚度。

图3模型二中, 充分利用了卫生间隔墙, 增加端部长墙比例, 保证平面端部刚度, 取消在卧室之间隔墙位置设置短肢剪力墙, 很大程度上也保证卧室开间的灵活性, 在满足位移的情况下, 尽可能的削薄剪力墙的厚度, 避免过于零碎布置短肢剪力墙;同时也适当弱化整个平面内部刚度, 虽然取消结构平面端部局部位置的剪力墙, 但是也通过减少平面内部墙体的截面来削弱内部刚度来保证平面扭转刚度, 使整个结构并没有因为取消端头局部墙而导致结构抗扭性能下降;同时, 在模型二中, 充分利用阳台内侧外墙, 与建筑沟通, 在阳台内侧外墙满布置剪力墙, 增加结构平面外侧刚度;同时, 增强山墙连梁的刚度, 短肢剪力墙可以通过设置刚度较大的连梁来形成整体的连肢墙或小开口墙, 通过大刚度连梁来保证其结构的延性。

通过上述一系列的结构优化, 模型二结构总质量由原来模型一的32372.733t减为30321.479t, 少了近6.4%左右。墙、梁截面上模型二比模型一明显小的多, 原有模型一的墙地比 (即标准层单层墙柱面积/建筑标准层单层面积) 分别为:2至11层以下为0.118, 12至23层为0.103, 24层为0.092;模型二的墙地比为:2至9层为0.105, 10至20层为0.092, 21层以上为0.0828。可以看出, 模型二在截面上有了较大的优化, 在保证周期和位移比等各项指标满足规范的前提下, 很大程度上降低结构的自重和整体的刚度, 剪力墙截面变薄, 随之含钢量 (主要剪力墙的构造配筋及梁配筋上) 也将大大减少, 降低了材料成本。

3.2 经济分析

对于高层住宅剪力墙结构, 开发商的成本控制较为严格, 甚至把含钢量作为一个合同指标限制, 本工程, 我们针对结构的竖向构件和水平构件均采取了一些措施以控制含钢量。

在墙柱上, 尽量使底层剪力墙墙肢轴压比限制在《高规》第7.2.14条规定的范围内, 这样仅需设剪力墙构造边缘构件;同时, 根据新《高规》JGJ3-2010版第7.2.15可知, 约束边缘构件的配筋受轴压比的影响较大, 我们通过提高混凝土强度 (本工程底部四层墙柱采用C45) , 合理选择墙长度和厚度, 控制轴压比来减少Lc区域的长度及配箍特征值λv;同时, 除特别部位 (如转角墙等) 墙身配筋尽量据《抗规》要求设置, 笔者归纳了剪力墙身常规配筋表 (表3) 供参考。

在水平构件上, 楼板的造价约占结构总造价的10%左右, 重量约占整个房屋重量的1/5左右, 而且, 由于住宅空间的局限性, 楼板配筋大多为构造配筋, 如板跨不大的情况下, 隔墙位置可不设次梁, 同时, 计算时我们采用塑性计算法, 对钢筋的形式来控制板的配筋;对于梁, 由于住宅梁跨度较小, 拉通筋采用通长筋加架力筋形式, 原则上通长筋优先考虑采用较小直径的钢筋。

通过采用一系列的措施, 选择合理的竖向构件和楼盖结构, 不仅满足了建筑上的空间要求, 而且在构造配筋上采取手段来降低总造价, 不仅得到了业主的认可, 也为类似住宅项目在设计和造价控制上提供了参考。

4 结束语

通过本工程的设计实例, 可以看出, 优化剪力墙结构设计, 最重要的是要从概念设计上对剪力墙布置进行把握, 遵循剪力墙布置的八字方针即“对称、均匀、周边、连续”, 严格控制剪力墙截面和轴压比, 控制墙地比在0.1以内, 同时选择有效的构造措施, 这样才能在控制含钢量的同时提高建筑平面的空间的使用率。

参考文献

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[2]中国建筑科学研究院.GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2010. (新标准)

[3]北京市建筑设计研究院、华东建筑设计研究院有限公司等.JGJ3-2002高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社, 2002.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社, 2011.

[5]中国建筑科学研究院.GB50010-2010混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2011.

[6]李国胜.多高层钢筋混凝土结构设计中的疑难问题的处理及算例[M].北京:中国建筑工业出版社, 2004.

复杂剪力墙分析与设计 篇6

1 剪力墙结构优化与含钢量

由于建筑用地的有限性和大量农村人口向城市迁移, 高容积率的高层住宅小区必然成了我国现阶段最主要的一种住宅形式[2], 在一般高层建筑的各类结构体系中, 剪力墙结构由于其抗压强度高、抗震性能好、墙体布置灵活、经济性指标好等优点而备受青睐, 剪力墙结构已成为高层住宅建筑中最主要的结构形式。针对高层剪力墙结构而言, 影响含钢量的因素很多, 例如结构方案的好坏、荷载的选取、设计过程细节的处理、构造措施是否得当等等, 下面逐一阐述。

1.1 结构方案的选型

结构方案的好坏很大程度上是由建筑方案确定的, 因此, 结构设计人员应在项目方案阶段介入配合, 做到建筑功能与结构合理性的统一。由于建筑设计人员有可能对结构相关规范条文不熟悉, 结构设计师如果不及早介入, 建筑设计师设计出的建筑方案其结构很可能难以满足结构设计规范的要求[1], 从而难以将建筑师的宏伟蓝图变成现实。建筑平面应力求简单, 对称, 建筑立面应规则均匀, 避免有过大的外挑和收进, 摒弃片面追求新奇的做法, 这些都需要建筑结构设计师互相配合, 才能做出既满足建筑需求结构又经济合理的优秀作品。

剪力墙的平面布置宜简单、规则, 两个方向的侧向刚度宜接近。抗震设计时, 不应采用仅单向有墙的结构布置。剪力墙自上到下宜连续布置, 避免刚度突变。剪力墙门窗洞口宜上下对齐, 当上下洞口不对齐时宜进行洞口规则化处理, 使剪力墙洞口薄弱部位形成明确的墙肢和连梁, 确保剪力墙传力更为直接合理。剪力墙长度不宜过长或过短, 剪力墙越长, 刚度越大, 地震时分配的地震内力也就越大, 一旦墙体破坏, 地震内力不能有效的传递给其他剪力墙, 从而使结构产生脆性破坏。剪力墙过短, 一旦破坏将可能导致楼板坍塌的危险[4]。

1.2 荷载的选取

由于市场供需关系的影响, 目前存在很多房地产商要求设计院在很短的时间周期内完成项目设计, 给设计师造成很大压力。很多结构设计师为了抢工期赶时间, 对建筑资料没有吃透就盲目开始建模计算, 建筑隔墙荷载没有根据实际情况区分而笼统的按统一标准输入, 分户墙及卫生间墙体与普通的隔墙没有区别对待, 建筑隔墙门窗洞口较多的没有进行折减, 建筑隔墙线荷载计算时没有扣除上一层的梁高等问题经常出现。结果导致部分梁上线荷载考虑不足, 给结构留下安全隐患。部分梁上线荷载考虑过大, 既不经济又造成不必要的浪费。同时, 楼面屋面等活荷载输入应严格按GB 50009-2012建筑结构荷载规范要求输入, 不要擅自放大或缩小。因此, 荷载的正确选取是确保结构安全可靠和经济合理的必要保障。

1.3 设计过程细节的处理

1) 板钢筋。板的分析方法有弹性分析方法和弹塑性分析方法两种。弹性分析方法视混凝土为弹性体, 采用结构力学或弹性力学等分析方法求解板的内力与变形, 双向板按弹性理论设计偏于安全。弹塑性分析方法视混凝土为弹塑性体, 按弹塑性理论求解板的内力与变形, 混凝土为弹塑性材料, 结构板为超静定结构, 在受力过程中将产生内力重分布, 按弹塑性理论求解结构板的配筋更符合实际受力状态。因此, 规范规定, 混凝土连续单向板可采用塑性内力重分布方法进行分析[5], 从而获得更好的经济效益。

在过去, 板钢筋一般采用Ⅰ级钢, 自GB 50010-2002混凝土结构设计规范颁布实施提倡采用高强度钢材以后, Ⅲ级钢逐渐成为我国建筑业混凝土结构的主导钢种, 从结构设计角度来说, Ⅰ级钢与Ⅲ级钢价格相仿, 强度Ⅲ级钢比Ⅰ级钢高出33%, 很明显, Ⅲ级钢性价比要优于Ⅰ级钢。

2) 梁钢筋。在过去, 梁钢筋习惯采用Ⅱ级钢, Ⅱ级钢与Ⅲ级钢价格相仿, 强度Ⅲ级钢比Ⅱ级钢高出20%, 为了充分发挥高强钢筋的受力特性, 节约钢材, 梁钢筋建议采用Ⅲ级钢。同时, 设计经验也很重要, 例如, GB 50010-2010混凝土结构设计规范9.2.13条规定:梁的腹板高度hw≥450时, 在梁的两个侧面应沿高度配置纵向构造钢筋。每侧纵向构造钢筋 (不包括梁上、下部受力钢筋及架立钢筋) 的间距不宜大于200, 截面面积不应小于腹板截面面积 (bhw) 的0.1%[5]。这条主要是考虑混凝土梁尺寸过大后容易在梁腹板范围内的侧面产生垂直于梁轴线的收缩裂缝, 因此, 应在大尺寸梁的两侧沿梁长度方向布置纵向构造钢筋 (腰筋) 以控制裂缝。住宅板厚我们一般按100 mm考虑, 对跨度不大, 受荷面小的梁, 梁高控制在500 mm以下, 就可以不考虑梁侧腰筋的设置, 节约成本。

3) 剪力墙钢筋。规范对短肢剪力墙轴压比、配筋率做出了比一般剪力墙更为严格的要求。因此, 尽量避免采用短肢剪力墙, 一方面可更好的确保结构安全, 同时, 剪力墙边缘构件配筋会相应降低, 除计算需要外, 一般200 mm厚的剪力墙可把墙长设计成1 650 mm。

剪力墙转角处的小墙肢, 一般情况下, 小墙肢可不在模型中分析计算, 主要是因为剪力墙小墙肢在计算时易出现应力集中现象, 往往导致计算结果配筋很大或出现超筋, 截面配筋设计出现异常, 计算结果与真实受力情况不相符, 同时也造成钢筋的浪费。当然, 若因小墙肢处连接较大跨度梁时, 要根据实际情况配筋。对带翼缘的边缘构件为计算配筋且配筋量较大时, 建议用“剪力墙组合配筋”重新计算该边缘构件, 该边缘构件总体配筋会减少40%以上[2]。

4) 人工干预。很多工程设计师对规范理解不透彻, 盲目对计算结果进行放大, 以为这样可以确保结构安全, 比如对梁板墙钢筋放大1.1倍, 将直接导致整栋楼含钢量增加10%。盲目放大计算结果不但不能使结构更安全, 反而适得其反。比如对梁配筋放大, 就与我们抗震设计理念相违背, 建筑物要有良好的延性才能满足“三个水准、两个阶段”的设计要求, 梁配筋盲目加大后有可能在地震作用下梁没破坏墙体先破坏, 或者梁一旦破坏将导致整栋楼的垮塌, 不符合强柱弱梁、强剪弱弯的设计理念。因此, 我们应该在充分理解规范的前提下, 对某些重要的梁、柱等做适当放大, 对于一般的梁、板、墙, 满足计算要求即可, 不要盲目随意放大。

1.4 构造措施

构造措施往往是结构设计师容易忽视的环节, 很多设计师认为构造措施不影响结构安全, 按经验配筋一般没有问题。如果处理不当, 也可能带来一些安全隐患和造成一些不必要的浪费。比如剪力墙拐角小墙垛, 除计算要求外, 一般尽量设计成300 mm长, 满足构造边缘构件长度即可, 如果设计成500 mm长, 转角处边缘构件不好设置, 只有将500 mm长全部做成边缘构件, 造成配筋量的增加;再比如入户上空的悬挑混凝土雨棚, 悬挑长度往往比较大, 有些工程师往往由于时间的原因, 没有通过详细的计算分析根据工程经验直接给个配筋敷衍了事, 给设计留下安全隐患。

2 工程实例分析

本文以湖北十堰某30层住宅为例, 对两种不同结构布置进行力学性能分析与经济性比较。

1) 工程概况。住宅层高3 m, 层数30层, 建筑高度90.3 m。抗震设防烈度6度, 设计地震分组第一组, 地震加速度0.05g, 基本风压0.30, 场地类别Ⅱ类。剪力墙抗震等级:Ⅲ级, 混凝土强度等级自下而上C45~C30。梁、板、墙受力钢筋均采用三级钢HRB400。

2) 结构布置及主要结构参数。原标准层剪力墙布置见图1, 剪力墙布置较多, 剪力墙轴压比大部分在0.3~0.5之间, 剪力墙利用不充分, 结构周期及最大层间位移比较小, 结构偏刚, 但结构位移比控制在1.2以内。对该方案中的剪力墙做适当调整和优化, 变成方案二 (见图2) , 方案二剪力墙明显要少于方案一, 剪力墙轴压比大部分在0.5~0.6之间, 剪力墙利用较充分。结构刚度、周期及位移比适中, 位移比稍有增加, 但是仍在规范允许的范围以内。优化前后结构基本信息见表1。

3) 两种方案经济性比较。本文对以上两种方案采用广厦结构分析与设计软件进行含钢量统计 (仅针对结构构件的含钢量统计, 不包括过梁、构造柱、立面线条大样等非结构构件) , 如表2所示。通过比较两种方案的含钢量统计数据, 不难发现方案二含钢量明显小于方案一, 两种方案的梁板钢筋含量相差不大, 差别主要在于剪力墙钢筋。究其原因, 主要有以下两个方面:其一, 方案一属于存在严重“内耗”的结构[7], 楼梯间位置设置过多的剪力墙后, 使得整个结构Y向的刚心和质心严重偏离产生扭转, 必须在结构Y向与楼梯间相对的一端设置相当的剪力墙, 才能限制这种扭转的发生。表面上看其在多遇地震作用下的计算结果能满足规范的要求, 但是, 由于结构设置了过多的剪力墙, 造成结构刚度增加, 地震作用下, 结构吸收的地震力也相应增加, 同时, 由于结构本身存在的“内耗”, 使得结构中的某些构件 (如抗震墙之间的现浇楼板、抗震墙等) 的应力水平明显高于其他构件 (造成实际上的受力不均衡) , 在罕遇地震作用下, 这些构件极容易首先屈服, 严重时引起结构的倒塌。一般情况下, 这样的结构很难实现“大震不倒”的基本抗震设防要求, 同时也造成不必要的钢筋浪费。其二, 方案二对剪力墙拐角小墙垛做了精细的处理, 除计算要求外, 尽量把剪力墙拐角处的小墙垛做到300宽, 既在构造上满足了规范的要求, 同时又很好的控制了剪力墙的钢筋含量。

kg/m2

3 结语

影响高层剪力墙结构含钢量的因素有:早期结构方案的选型、结构布置的合理性、计算模型的准确程度、设计细节的处理、构造措施和人工干预等等。设计各个环节相互关联, 相互制约, 设计人员必须与建筑设计师密切配合和沟通, 制定合理的结构方案, 避免结构平面立面不规则, 合理的结构布置是结构设计的关键, 对房屋建设成本的控制起决定性的作用, 结构设计人员必须充分的认识规范、理解规范, 对设计中的各个环节认真把控, 精心设计, 才能设计出既安全可靠, 又经济合理的建筑结构。

摘要：结合某工程实例, 从结构方案的选型、荷载的选取、设计过程细节的处理及构造措施等方面探讨了影响高层剪力墙结构含钢量的各种因素, 并特别对剪力墙结构优化设计进行了详细分析, 为结构设计提出了合理建议, 以达到建筑结构安全性与经济性的统一。

关键词：剪力墙,优化设计,含钢量

参考文献

[1]黄朱功.结构设计过程中的含钢量控制[J].企业科技与发展, 2009, 262 (16) :108-109.

[2]冯中伟, 刘宜丰.高层剪力墙住宅结构优化设计[J].建筑结构, 2010, 40 (9) :124-127.

[3]陈耀.高层建筑剪力墙结构优化设计分析探讨[J].建筑与装修, 2011, 123 (4) :36-39.

[4]JGJ 3-2010, 高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[5]GB 50010-2010, 混凝土结构设计规范[S].

[6]GB 50011-2010, 建筑抗震设计规范[S].

复杂剪力墙分析与设计 篇7

关键词：高层建筑,转换梁,刚度比

0 引言

近年来，框支剪力墙结构已逐渐成为竖向不规则高层建筑中经常采用的一种满足建筑功能及美学要求的结构布置方式。由于框支剪力墙结构中竖向构件传力的不连续性，造成结构上部荷载不能直接传递给下部对应的竖向构件，只能通过转换构件的内力重分配，再向下传递，转换构件相当重要且受力非常复杂;因此结构设计过程中，除对整体结构进行计算分析外，还应对转换构件进行详细分析，以保证框支剪力墙结构能正常地、可靠地、有效地工作。

本文结合一实际工程，探讨高层建筑中框支剪力墙结构设计过程中的注意事项。

1 工程概况

某高层商住楼，位于山西省晋城市区，是集底部商业、塔楼住宅于一体的综合性高层建筑。该工程地下2层，层高4.8 m。地上1层～3层为大开间商业用房，层高4.5 m(转换层层高6.2 m)，4层以上为剪力墙结构住宅，层高为3.2 m，为实现这种底部大开间与上部剪力墙之间的转换，在主楼3层顶设置结构转换层，以传递竖向荷载和水平荷载。室外地坪以上主体结构檐口高度为67.75 m。本项目采用了传力直接明确，传力途径清楚的梁式转换方式，由于该建筑功能的特殊要求，导致了上部框支剪力墙轴线与底部框支框架错开较多，故采用了转换次梁与转换主梁的转换形式。

转换层结构平面图如图1所示(为表达清楚，图中忽略转换构件以外的平面图，图中灰色部分为底部框支结构，黑色部分为上部框支剪力墙)。

2 整体结构计算分析

为分析整体结构的特性，采用SATWE,PMSAP对该结构进行整体对比计算。抗震等级:框支框架、底部加强区均为一级;风荷载按五十年一遇取0.50 k N/m2;计算中考虑扭转耦联影响，共计算27个振型，计算结果见表1ㄢ

由表1可得:结构第一第二振型均为平动振型，第三振型为扭转振型，且结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比均小于0.85，满足规范要求。

由表2可得:周期比、刚度比、层间位移角及位移比均满足规范要求。

3 关键构件补充分析

由于框支剪力墙结构中，上部结构荷载只能通过转换构件的内力重分配之后才能向下传递，转换构件受力复杂;故结构设计过程中，除对整体结构进行计算分析外，还应对转换构件进行详细分析。

针对本项目的实际情况，对结构中关键构件(框支框架及落地剪力墙)提出适当的性能设计目标，并采用PKPM计算程序进行结构在中震弹性及大震不屈服的计算。

中震弹性计算结果表明，结构中需考察的框支框架(框支梁以及框支柱)和底部加强区剪力墙承载力均满足中震弹性的设计要求。

大震不屈服计算结果表明，结构中需考察的框支柱和底部加强区剪力墙满足大震下抗剪截面控制条件。框支梁承载力满足大震不屈服设计要求。

此外，为保证框支梁的承载力，还补充了框支梁在重力荷载下不考虑上部墙体共同工作的模型，将该计算模型与整体模型小震反应谱计算模型的计算结果对框支梁进行包络设计。

4 弹性时程分析

为校核振型分解反应谱法的计算结果，根据规范要求，本工程采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算，弹性时程分析所取地面运动最大加速度为18 cm/s2，结构阻尼比为0.05。地震波选用建设方提供的及程序自带的8组小震加速度记录作为弹性时程分析的地震波输入，包括5条天然波和3条人工波，每组包含2个方向的分量，在波形的选择上，除符合有效峰值、持续时间、频谱特性等方面的要求外，还应满足规范对底部剪力方面的相关要求。计算中考虑了2个方向地震动时程输入的影响。时程分析得到的x方向结果如图2所示。

计算结果分析:

1)振型曲线符合规律;

2)最大层间位移角小于1/1 000，满足规范要求;

3)从图2a)可以看出，曲线在转换层处由剪切型过渡到弯曲型，符合变形规律;

4)时程分析得到的楼层剪力及层间位移角的变化趋势与CQC反应谱法分析得到的结果基本一致;基底剪力平均值与CQC反应谱的比值(X向0.96,Y向0.97)及最小值与CQC反应谱的比值(X向0.72,Y向0.70)均满足规范要求，满足小震弹性时程分析地震波选取的要求;动力时程反映分析复核结果表明，不需要调整整个楼层构件的内力及配筋。

5 楼板应力分析

本工程为部分框支剪力墙结构，为保证转换层处不落地剪力墙的水平剪力能够通过楼板有效传递给竖向构件，补充框支层楼板有限元应力分析。

在小震、中震作用下，框支层楼板的最大主拉应力分别为0.385 MPa和1.058 MPa，尚未超过楼板混凝土的抗拉强度标准值(C30混凝土，ftk=2.01 MPa)，可以满足小震、中震不开裂的设计要求。

在大震作用下，框支层塔楼相关范围内楼板的最大主拉应力为2.471 MPa，大于楼板混凝土的抗拉强度标准值(C30混凝土，ftk=2.01 MPa)，此时楼板已经开裂，在忽略了混凝土的抗拉强度后，折算得到的单跨范围内楼板钢筋拉应力小于400 MPa(HRB400型钢筋的屈服强度标准值)，可以满足大震楼板钢筋不屈服的设计要求。

计算表明:在转换层处楼板可以满足小震、中震作用下楼板主拉应力不超过楼板混凝土抗拉强度标准值，大震作用下楼板钢筋不屈服的设计要求，不落地剪力墙的水平剪力传递途径可以得到有效保证。

6 抗震构造措施

经过上述多个计算模型的大量计算，力求把结构分析清楚，对关键构件进行多个模型的包络设计，除计算结果满足规范要求以外，为保证结构安全，还采取了以下措施:

1)由于底部商场使用功能限制，落地剪力墙数量明显偏少，经多次与建筑、业主协商，在(1)(3)(13)(15)轴Y向增加了落地剪力墙，这样虽然损失了部分的建筑功能，但是把扭转效应降低到规范规定范围内，扭转周期也由第一周期降低到了第三周期，抗震性能大为提高。

2)转换层楼板要完成上、下层剪力的重新分配，在自身平面内受力很大，本次楼板厚度按200 mm设计，框支梁向外一跨范围内楼板加厚至180 mm，双层双向拉通配筋，每层每向最小配筋率0.25%，以利于水平力的传递。

3)严格控制剪力墙、框支柱、裙房框架柱的轴压比，以提高整体结构的抗震性能。

4)采用转换层后，底部大空间的柱子要承受上部结构的巨大荷载。因柱距受建筑功能制约，柱截面又要满足轴压比和上下层剪切刚度比的要求，所以框支柱极容易形成对抗震不利的短柱。同样框支梁因承担上部巨大的荷载，其抗剪承载力往往难以满足要求。因此本工程中，框支梁主体框架均采用型钢混凝土梁以提高抗震性能，其他转换次梁采用钢筋混凝土梁。柱子全部采用型钢混凝土柱，以实现与型钢混凝土梁的连接，提高整体结构的抗震性能。

5)部分地方由于建筑功能需要，框支剪力墙与框支梁轴线错开，为减少框支梁的巨大扭矩，在剪力墙墙肢处(该处为扭矩集中作用点)设置与框支梁垂直的抗偏梁，从而抑制框支梁关键部位的出平面变形尤其是角变位。

7 结语

梁式转换结构能满足建筑物上、下不同使用功能的要求，但该类结构由于上下刚度突变，竖向构件不连续，属于抗震不利的结构。该类型的结构设计对工程要求甚高。因此，在进行转换层结构分析时，务必明确设计原则及计算原则，要做到概念明确，思路清晰。

参考文献

[1]唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工[M].北京:中国建筑工业出版社,2002:27-41.

[2]唐兴荣,何若全.高层建筑中转换层结构的现状和发展[J].苏州城建环保学院学报,2001,14(3):1-8.

[3]贾辉,孙华东.浅谈高层建筑转换层结构[J].山西建筑,2011,37(11):36-37.

[4]李国胜.关于底部大空间剪力墙结构的转换层设计[J].建筑结构,2001,31(7):39-42.

复杂剪力墙分析与设计 篇8

【关键词】小高层建筑；短肢剪力墙；结构设计

近年来，在我国小高层建筑结构设计的过程中，人们一般都是采用短肢剪力墙结构来对其进行设计处理，从而在提高建筑结构稳定性和强度的同时，也保证了建筑结构的设计的美感。下面我们就对短肢剪力墙结构设计的要点和相关内容进行简要的介绍。

一、短肢剪力墙结构的概况

1.短肢剪力墙结构的定义

目前，人们还没有对短肢剪力墙结构的定义进行明确的规范，而且在不同的国家或者地区对短肢剪力墙的理解也不尽相同。而在一般情况下，我们所说的短肢剪力墙通常是指将建筑结构墙肢截面高度与厚度之间的比值在7:1左右的墙体结构。

2.必要条件

人们在对短肢剪力墙结构设计的过程中，设计人员必须要对其抗震性能进行严格的要求，并且根据工程施工的合计情况和相关施工要求，将短肢剪力墙结构底部中产生的地震倾覆力矩控制在一定的范围内，使其建筑结构的稳定性和可靠性得到明显的增强。

3.短肢剪力墙结构的规范

然而在不同的短肢剪力墙结构设计施工中，人们对短肢剪力墙施工的技术要求也就不一样，如果出现短肢剪力墙加设的情况，那么其短肢剪力墙结构只能当一般的剪力墙结构进行使用，而且其建筑物的抗震性能也会受到一定的影响。

4.短肢剪力墙的优点

当前在建筑工程施工中，短肢剪力墙结构的优点主要体现在以下几个方面：①自身重量较轻，在建筑工程施工中，它可以有效的减少建筑结构的荷载，提高建筑结构的稳定性；②在实际使用时，具有极强的灵活性，施工人员可以通过工程设计的相关要求，来对短肢剪力墙结构进行适当的挑战；③由于该剪力墙结构的宽度和高度比较大，因此其短肢剪力墙结构就具有较好的延性；④在短肢剪力墙结构设计时，我们主要将其应于建筑结构的受弯破坏，使得地震的水平作用力对建筑结构造成的影响较小，以满足工程设计的相关要求。

二、短肢剪力墙结构设计的要求

1、在一般情况下，施工人员会在间隔墙的位置处布置竖向的构件，这样就可以将小高层建筑和短肢剪力墙结构紧密的结合在一起，从而提高建筑结构的稳定性和可靠性。

2、在对短肢剪力墙结构体系进行设计施工前，设计人员就要根据建筑工程施工的实际情况和相关规范，来对短肢剪力墙结构的位置、长度以及数量进行确定，以确保建筑工程的施工质量。

3、因为其短肢剪力墙结构具有较强的灵活性，所以在建筑工程施工中其适用范围比较广。

4、短肢剪力墙结构在实际应用的过程中，有着一定的隐蔽效果，在建筑空间设计的过程中可以有效的提高間空间结构的利用率。

5、它的应用也可以大幅度的增强建筑结构的强度和稳定性。

三、结构设计

1.短肢剪力墙结构是适应建筑要求而形成的特殊剪力墙结构。其计算模型、配筋方式和构造要求均同于普通剪力墙结构。在TAT、TBSA中，只需按剪刀墙输入即可，而且TAT、TBSA更适合用来计算短肢剪力墙结构。TAT、TBSA所用的计算模型都是杆件、薄壁杆件模型，其中梁、柱为普通空间杆件，每端有6个自由度，墙视为薄壁杆件，每端有7个自由度(多一个截面翘曲角，即扭转角沿纵轴的导数)，考虑了墙单元非平面变形的影响，按矩阵位移法由单元刚度矩阵形成总刚度矩阵，引入楼板平面内刚度无限大假定减少部分未知量之后求解，它适用于各种平面布置，未知量少，精度较高。

2.对设有转换层的短肢剪力墙结构，一般都只是将电梯间、楼梯闻、核心筒和一少部分剪力墙落地，其于剪力墙框支。框支剪力墙是受力面向受力点过渡，由于薄壁杆件的连接处是点连接，所以用薄壁杆件模型不能很好地处理位移的连续和力的正确传递。因此，带有转换层的短肢剪力墙结构宜优先采用墙元模型软件(如SATWE)进行计算。

四、结构布置中需注意的问题

短肢剪力墙结构抗震性能较差，故应加强抗震薄弱环节，注重概念设计，满足高规要求。

1.短肢剪力墙应均匀布置，使墙的轴向应力差别不宜过大。竖向布置短肢剪力墙，尽可能做到墙肢上、下对齐、连续，尽量避免洞口错位，cad图库大全与连梁一起构成连续跨数较多的抗侧力体系。

2.每道短肢剪力墙宜有两个方向的梁与之相连接，连梁尽可能布置在墙肢的竖向平面内。短肢剪力墙应该尽量在另一方向上设置翼缘，尽可能避免有一字形短肢剪力墙出现。结构布置上考虑纵横墙的共同作用。

3.短肢剪力墙应设计成强墙柱弱连梁的体系。所谓强墙柱，是指墙柱可采用强度等级高的混凝土，加强墙柱配筋：尽可能减少连梁高度，使分配的地震力不至于太大，也使短肢剪力墙体系计算更合理。

4.B级高度高层建筑及9度抗震设计的A级高度高层建筑，不能采用短肢剪力墙结构。这点尤为值得我们注意，只有严格按照标准进行建筑结构设计，才能保障建筑在突发地质灾害过程中具有良好的稳定性和安全性。

5.最大适用高度比高规表中剪力墙结构的规定值适当降低，且7度和8度抗震设计时分别不应大于100m和60m。

五、短肢剪力墙结构的构造要求

短肢剪力墙结构的构造要求同一般剪力墙结构。目前我国各设计院在短肢剪力墙的结构设计中,剪力墙端部暗柱的设置有两种形式:一种是端部做暗柱,设置剪力墙水平和竖向分布筋,适于肢长较长的短肢剪力墙;另一种有点类似异形柱的配筋方法,以腹部均匀配筋,腹部钢筋面积根据电算时人为设置竖向分布筋的配筋率来计算,电算出的暗柱钢筋面积放在端部,适于肢长较短的短肢剪力墙,且配筋形式较简化,利于工程施工。短肢剪力墙的连梁应进行正截面极限承载力计算和斜截面抗剪极限承载力计算。目前,短肢剪力墙正截面极限承载力计算多采用构件截面分析的一般方法——全过程分析方法;连梁的正截面配筋,按矩形截面构件计算,取上、下配筋的较大值, 按对称配筋置于梁截面上、下部位,按斜截面抗剪计算所得的箍筋沿全跨加密设置。另外,短肢剪力墙的连梁在进行抗震设计时,其弯矩和剪力进行塑性调幅,以降低其剪力设计值;当部分连梁降低弯矩设计值后,应相应提高其余部位连梁和墙肢的弯矩设计值。

六、总结

目前，在我国多数小高层建筑结构施工的过程中，短肢剪力墙结构由于具有质量轻、稳定性好、灵活性强等方面的特点，因此得到了人们的广泛应用。不够，虽然短肢剪力结构有着良好的使用功能，而且可以有效的增强建筑结构的刚度和强度，使其安全性能得到提高了，但是因为当前在我国的应用技术不够成熟，导致在实际应用过程中存在着一定的问题，所以我们在对其进行施工时，一定要对其施工质量进行控制，以确保建筑工程施工的质量满足工程设计的相关要求。

参考文献

[1]张启华.高层建筑工程结构设计问题研究[J].科技致富向导,2010年17期