关于高层剪力墙结构层间位移角调整的几点建议

关于高层剪力墙结构层间位移角调整的几点建议

武晓龙

武晓龙

邯郸市瑞达工程设计有限公司河北邯郸056000

摘要：高层建筑一定程度上解决了人口增加与住房紧张的矛盾，并由此得到社会各界关注，高层建筑结构较为实用的为剪力墙结构，当建筑达到一定高度后，墙体刚性主要受风荷载影响。通过对层间墙体的设计、数量及原料改进等方法，可调整层间位移，从而改变墙体的刚性，在调整过程中要注意X向和Y向墙体层间位移角尽量接近。

关键词：高层建筑；剪力墙；层间位移；风荷载

社会人口的增加与居住面积之间矛盾的加剧，致使高层建筑逐渐受到社会各界的关注。我国高层住宅建筑的结构体系可分为钢筋混凝土框架结构、钢筋混凝土剪力墙结构和钢筋混凝土框架-剪力墙结构三种类型。其中剪力墙结构具有刚度大、抗震性好、塑性变形能力和侧向变形能力强、结构高的优点，满足了住宅建筑的需求，且能充分利用土地资源，因此备受青睐。

一、高层建筑结构设计要求

高层建筑的结构功能是建筑体量组成和结构艺术的表达基础，再设计过程中不能离开实践的基础而仅进行单纯的理论计算或推理。建筑设计概念主要由建筑工程师决定，设计者应具有准确的判断力，在实践基础上对建筑结构做出科学、严谨、规范的计算及分析，从而解决高层建筑设计中可能涉及的各类基础性问题，例如水平荷载对于建筑结构的影响及其解决措施、建筑墙体刚性的相关问题及其解决措施等。

高层建筑结构设计需要满足两方面的要求，一是建筑结构承载能力极限状态，二是建筑结构正常使用极限状态，其中后者对结构设计起主要控制作用。高层建筑在地震或风荷载作用下要满足水平变形的要求，水平变形过大不仅会损坏竖向结构构件，影响结构的承载力；还能影响非结构构件的实用性能，如幕墙、隔墙和填充墙等，进而影响建筑结构的整体稳定性。高层建筑混凝土结构技术规程中规定高度为150m以下的纯剪力墙结构的高层建筑，其楼层层间最大位移（ui）与层高（hi）之比小于1：1000。高层建筑弹性层间位移角受地震作用影响较小，主要影响因素为风荷载，尤其是沿海城市风荷载对于层间位移角的影响更为突出。

二、层间位移角

（一）层间位移角计算式

建筑物侧向刚度的大小用层间位移角度量，因此高层建筑结构的抗侧刚度的保证需要应对层间位移角进行合理控制。层间位移角（θi）大小等于楼层层间最大弹性水平位移（△ui）与对应楼层高度（hi）的比值，用公式表示为：θi=△ui：hi

层间位移角限值由钢筋混凝土竖向构件开裂时对应的层间位移角大小决定。由公式可知，当楼层高度固定时，楼层层间最大弹性水平位移直接决定层间位移角，控制层间位移角等同于控制该楼层所有竖向构件的层间位移。高层建筑受水平作用力的情况较为普遍，因此楼层层间最大水平位移在该结构单元的尽端处。

（二）层间位移角计算

对于高度不超过150m的建筑物，由于整体弯曲变形对于建筑物位移的影响较小，因此楼层层间最大位移（ui）以楼层竖向构件最大的水平位移差进行计算，不考虑整体弯曲转角产生的侧移。而对于高度超过150m的建筑物而言，整体弯曲变形产生的侧移数值较大，应在计算时扣除此部分的变形或将位移角极限值适当提高。层间位移包括受力位移（△uid）和非受力位移（△ui-1）两部分。受力位移引起的变形为有害变形，对应位移记为θid。相关各量关系示意图见图1。

非受力位移为：△ui-1=θi-1hi；

受力位移为：△uid=△ui-△ui-1，

则受力位移角：θid=θi-θi-1=△uid：hi

图1层间位移角关系示意图

三、层间位移调整

（一）高层建筑参数计算

以某工程高层建筑为例，说明层间位移调整的过程。该建筑为剪力墙结构，地震设防烈度为7度（0.1g）；基本风压为0.8kP，且为50年一遇；场地类别为Ⅲ类，地面粗糙程度为B类；建筑长为44m（X），宽为18.2m（Y），最小宽度为9.9m，总楼层高度为为99.99m。

该高层建筑Y向为建筑物的弱项，需布置较多剪力墙。根据建筑墙体布置及使建筑X、Y方向的动力特性相近的原则，对全楼面进行刚性楼板假定的基础上，采用SATWE结构计算软件对各层层间位移角进行计算，并绘制如下图像，见图2.

Y向最大层间位移角曲线图

图2各层层间位移角曲线图

由计算可知，该建筑在地震作用下层间位移均达到相关建筑要求，但在风荷载作用下，Y向的最大层间位移为1：908，超过相关规定要求，需要进行调整。

（二）层间位移调整过程

由以上计算结构可知，Y向层间位移与规定差值较大，局部调整难以达到实际要求，应从整体对建筑结构进行调整，改善结构的抗侧刚度。

1、增加Y向剪力墙的数量，并调整其结构布置。高层剪力墙设计避免一字型或一字短肢型，应设计为L或者T型，增强剪力墙的实用性能。若建筑要求需设计为一字型时，应在剪力墙两侧进行端柱设计。

2、建筑结构整体刚度受外侧剪力墙的刚度影响较大，加大Y向外侧剪力墙的刚度可大幅度提高建筑结构的整体刚度；若剪力墙需要Y向分段，可在分段处用高连接梁连接，以确保墙段之前的刚度传递效果。风荷载作用效应计算时，可忽略连梁的刚度折减。

3、建筑结构剪力墙之间彼此联系，互相影响。X向与Y向剪力墙之间同样互相影响，如与Y向剪力墙相连的X向剪力墙长度的改变，将影响Y向剪力墙的刚度，从而影响Y向的层间位移角。当其他条件不变时，X向剪力墙长度减少，与之相连的Y向剪力墙刚度减小。同理，X向墙体的厚度与宽度同样影响Y向墙体的抗侧刚度，因此加大X向短墙肢的寇杜或X向连梁及墙体的宽度，可增大Y向墙体的刚度。实践证明，X向连梁或梁的高度的变化对于Y向剪力墙刚度影响甚微。

4、增加建筑结构外围Y向剪力墙的厚度可提高Y向墙体的抗侧刚性，其中增加远离X向的Y向墙体的厚度，对于墙体刚性的增强效果最为明显。

5、根据计算结果，检查层间位移角偏差较大的楼层，然后针对该楼层进行建筑材料升级或更换，如提高混凝土强度等级，从而提高该楼层Y向剪力墙的层间位移角。

6、X向墙体层间位移受地震影响较大，Y向墙体层间位移受风荷载影响较大，对任何一侧墙体进行层间位移调整时，应兼顾另一侧墙体的层间位移，确保两方向的层间位移相近，使两方向的动力特性接近。本次建筑结构调整过程中，通过方法1和2的调整后，进行计算，层间位移有明显改善，变为1：980，但仍未达到建筑标准，应继续通过3-5的方法逐步调整，并继续计算检验调整结果，最后风荷载作用下Y向最大位移达到1：1004，此时X向墙体位移值为1：1705，均达到建筑标准。

四、总结

高层建筑结构特点要求采用剪力墙结构，当建筑结构高度达到一定值时，地震对于建筑的影响较小，主要影响因素转为风荷载。高层剪力墙结构层间位移若未达到建筑设计标准时，可通过对墙体造型设计的改进、X向墙体长度、宽度或厚度的加强、Y向剪力墙厚度的改变以及改变混泥土强度等方法，提高Y向剪力墙的刚性；另外，在进行层间位移角的调整时，应对X向和Y向层间位移角同时兼顾，尽量保持双方的一致性。

参考文献：

[1]薛彦涛，章万胜，金林飞等.结构受力层间位移（有害位移）计算方法研究[J].建筑科学，2014，30（3）：1-7.

[2]王中士，张会伍.高层剪力墙结构层间位移角的调整[J].山西建筑，2015，（2）：30-31.

[3]胡孔鹏.高层剪力墙结构中剪力墙布置和合理数量的研究[D].合肥工业大学，2012.