浅析剪力墙结构竖向构件布置

浅析剪力墙结构竖向构件布置

0金盛家园建筑节能结构选型方案商品住宅建设中的工资控制将更加严格，提出了更高的设计和控制要求。建筑工程造价从设计角度来说,影响的因素有:建筑方案、结构设计、设备选用。合理的结构方案能较大程度地降低工程造价,体现项目的经济性,同时能够保证工程的安全度。可以说目前较多的高层项目更多地关注合理的结构选型。本文主要以金盛家园3#、5#房为例进行结构优化分析。图1为金盛家园规划总平图。金盛家园规划用地1.79公顷,地块南临大红旗路,北侧为沪宁铁路,东侧紧邻大湾浜,地块为常州市政府建造的公共廉租房。该廉租房项目总建筑面积为6.22万m2,共有3栋27层高层住宅,一栋26层高层住宅,3栋6层多层住宅及一栋3层配套公建。3#、5#房位于整个地块的北侧。1结构体系及荷载3#、5#房为一般剪力墙结构。一层地下室,地上二十七层,室内外高差150mm,建筑物高度(室外地面至主要屋面板的板顶)为78.400m。工程结构设计使用年限为50年,建筑结构安全等级为二级,结构重要性系数为1.0。根据本工程使用功能的重要性分类,应为丙类建筑。工程所在地抗震设防烈度为七度,设计地震分组为第一组,设计基本地震加速度值为0.1g。基本风压:0.40kN/m2;基本雪压:0.35kN/m2;地面粗糙度类别:B类;风载体型系数:1.30。本工程为公共租赁住宅,结构荷载见表1。建筑标准层平面见图2。2结构计算2.1结构体系及振动结构建模计算采用中国建筑科学研究院PKPM系列软件进行分析。初次建模分析混凝土墙体1~5层采用C40强度等级,6~13层采用C35强度等级,14层起均采用C30强度等级。对于建筑竖向交通核楼梯、电梯尽量满布剪力墙,增加抗侧刚度。结构构件布置如图3,4所示。根据计算分析1~5层南侧纵墙均采用250厚混凝土剪力墙,6及6层以上南侧纵墙缩减为200厚混凝土剪力墙。结构整体稳定验算结果:X向刚重比EJd/GH2=4.60,Y向刚重比EJd/GH2=4.39。该结构刚重比EJd/GH2大于1.4,能够通过高规(5.4.4)的整体稳定验算,该结构刚重比EJd/GH2大于2.7,可以不考虑重力二阶效应。结构周期、地震力与振型见表2。结构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的比为1.9500/2.6052=0.748。结构剪重比X向:1.38%;Y向:1.58%。按照《高层建筑混凝土结构技术规程》3.3.13条规定,7度区水平地震剪力系数应达到0.016,程序自动放大楼层地震剪力以达到要求。检查位移输出文件,结构X、Y向最大层间位移角均小于1/1000,满足规范要求。在考虑偶然偏心影响的地震作用下,楼层竖向结构构件的最大水平位移和层间位移均小于该楼层平均位移的1.5倍。从各项参数上看基本符合规范的相关要求,仔细分析发现第二振型的平动系数虽然已经达到了0.84,但当我们查看软件中的结构空间整体振动简图时发现,结构的第二振型其实已经形成扭转,结合图形文件认为其应该判定为扭转振型,空间整体振动图见图5。存在问题:(1)通过输出参数的分析结合图形分析可以判定该结构模型仍然存在一定问题,尤其是结构的第二振型表现为扭转振型,这是不符合规范要求的。如果单纯从参数判断可能会忽略该问题。(2)其次对于结构计算输出的X、Y向刚重比偏小,说明结构的整体刚度偏低。(3)周期振型输出文件中的地震剪力系数未满足规范要求,程序自动进行放大也从侧面反映了结构的刚度不足。(4)在结构平面布置中位于建筑北侧局部存在短肢剪力墙。(5)结构1~5层南侧剪力墙厚度250mm,对建筑使用面积有一定影响。2.2结构体系设计验算结果通过对初始模型的分析,在后期优化中采取有针对性的手段。增加结构刚度主要采用加大竖向构件的尺寸的手段,尽量使结构整体的形心与刚心能够重合。经过对剪力墙重新调整,增加了外侧混凝土剪力墙的尺寸,提高了电梯井筒及楼梯间的刚度,适当增加外围的混凝土框架梁及剪力墙连梁的截面尺寸,整个结构模型的参数都得到了优化(图6)。建筑南向外侧混凝土剪力墙由原模型250mm厚减为200mm,满足了建筑布置的要求,增加了用户的使用面积。根据计算分析结构整体稳定验算结果:X向刚重比EJd/GH2=5.24,Y向刚重比EJd/GH2=5.70。对比原模型提高了结构的整体刚度,并且保证了X、Y两个方向的刚重比相对比较接近。结构周期、地震力与振型见表3。通过分析结构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为的比1.8225/2.3974=0.76,满足《高层建筑混凝土结构技术规程》4.3.5条的相应规定。结构剪重比X向为1.60%;Y向为1.86%,满足《高层建筑混凝土结构技术规程》3.3.13条规定,7度区水平地震剪力系数应达到0.016的要求。检查位移输出文件,结构X、Y向最大层间位移角均达到1/1400,满足规范要求的限值1/1000。在考虑偶然偏心影响的地震作用下,楼层竖向结构构件的最大水平位移和层间位移均小于该楼层平均位移的1.5倍,满足规范要求。继续对结构构件配筋进行深入比较后发现,优化后的结构配筋量有明显降低。选取同样为二层楼面的框架梁配筋进行比较,见图7,8。在画圈部分的混凝土框架梁配筋中,尤其是支座负弯矩钢筋的减低幅度在25%~50%之间,有的甚至更大。通过比较说明结构构件的合理布置直接关系到结构构件配筋量的大小。3剪力墙布置的控制通过对金盛家园3#、5#房结构模型的优化调整过程,总结了一般高层剪力墙结构建模的经验,供设计人员在建模中参考:(1)在结构布置前应对建筑平面规则性、合理性有先期判断。建筑平面的合理往往决定了结构布置的合理程度,最终决定了工程的经济性能。一个成熟的结构设计人员应当在建筑方案阶段就为建筑设计提出合理的控制性建议。(2)高层住宅中剪力墙布置的大原则应遵循“边强、内弱,核心筒”。建筑物四周外围应尽量布置大尺寸的剪力墙,有效限制建筑物的扭转影响。对于建筑中间的剪力墙以适当控制轴压比为布置原则,尽量避免大尺寸墙的出现。建筑物的电梯井筒及楼梯间基本为规则围合的空间,结构尽量布置剪力墙,能够有效地提高结构的整体刚度。(3)在模型分析中应避免部分设计人员仅仅查看基本的几个参数输出文本,文本文件中的参数核对符合相应的规范要求后,设计人员仍应当查看软件输出的几个图形文件,比如配筋验算简图、柱轴压比、墙边缘构件简图、结构空间整体振动简图等等。图形文件结合文本文件校验往往能达到事半功倍的效果。(4)在位移校验中若发现有最大值层间位移角超限的,应记录超限的相应节点号在平面简图中找到相应位置,优先采取增大竖向构件的尺寸