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提高剪力墙的结构效率,就要充分利用建筑的面宽!

在实际操作中,解决剪力墙工程问题时,相信很多结构工程师会遇到跟大白一样的疑问:材料加在哪片横墙上?或是哪片横墙的翼缘上?是否存在一些指导性的原则?


大家都清楚,建筑专业对平面布局、功能需要和立面要求等等需求,限制了剪力墙结构的墙体位置、长度和开洞方式,各片横墙的侧移刚度难以相同。


在刚性楼盖的约束下,整体结构协同受力并同步变形,结构的总侧移刚度EJd为该轴方向上所有墙体侧移刚度的和,即EJd=EJd1+……+ EJdn。


单纯从公式来看,加强任意一片剪力墙似乎都能提高整体刚度。


不过,大白在布置结构方案时,总会问自己这个问题:墙体材料的利用效率如何?是否发挥了最大刚度?


运用简单的算例就可以答疑解惑:

假设一个高层剪力墙结构,横轴方向上的平面最大宽度为15m、最小宽度为12m,其间布置两片三肢联肢墙(尺寸如下图所示),各墙肢的截面尺寸相同,均为0.25×2.4m。

墙1和墙2的墙肢材料用量相同,等效抗侧刚度指标如何?

高层混凝土结构教材都有求解方法,这里不再赘述,直接列出等效惯性矩结果:

对比发现:

消耗相同墙肢材料,满跨布置于结构平面最大宽度上的组合横墙(大白称之为最优横墙),可获得最大的抗侧刚度。


究其原因,是该墙体的肢强系数最大,其中起到关键作用的,是各墙肢形心与联肢墙截面形心轴的距离。


距离越大,肢强系数越大,墙体刚度也就越大。

要提高剪力墙布置的结构效率,我们需要充分利用建筑的面宽来布置结构的横墙。

这是大白构建剪力墙结构抗侧力体系的首要原则。

如果剪力墙布置的结构效率考虑的是存量问题,接下来大白要回答的第二个问题,则是结构调整的效率问题,亦即增量问题:


在增加相同墙体材料情况下,哪片剪力墙的侧移刚度增量敏感性高?


以上图为基础,调整横、翼墙布置,形成两种结构调整方案:


方案一:调整各墙肢截面尺寸至0.25×2.8m,即继续加强横墙的方案。

加强横墙方案后,等效惯性变化为:

方案二:墙肢1,3上同时增设0.6×0.25m的翼墙,即增加翼墙共同作用的方案。

考虑翼墙共同作用后,联肢墙的指标变化为:

上述算例说明:相较于其他横墙,最优横墙的侧移刚度变化对增量结构材料更为敏感。


采用增强横墙刚度的调整方案时,结构材料应优先设置于最优横墙上;

采用增强翼墙共同作用的调整方案时,应在最优横墙上远离组合截面形心的墙肢端部处设置翼墙。


这是大白提高剪力墙调整效率的首要原则。

大白猜测,在结构工程学中,也存在着“马太效应”。


这是一个广泛存在于社会心理学、教育、金融以及科学领域的现象,名字来自圣经《新约·马太福音》中的一则寓言:“凡有的,还要加倍给他叫他多余;没有的,连他所有的也要夺过来”。


诺贝尔经济学奖获得者,美国哈佛商学院教授罗伯特·莫顿把马太效应归纳为:任何个体、群体或地区,在某一个方面(如金钱、名誉、地位等)获得成功和进步,就会产生一种积累优势,就会有更多的机会取得更大的成功和进步。

最优横墙利用结构的平面最大宽度,构建了自身的刚度优势。结构调整时,不管是采用增强横墙刚度或增强翼墙共同作用的方案,都应选择最优横墙作为首要的载体。


这种强者使之愈强的结构布置及调整策略,不正是马太效应的在工程运用上的最好体现么?


根据大白以往的工程经验,就算受限于建筑功能需求,无法构建以最优横墙为主的结构抗侧力体系。那么在结构调整时,仍然应以平面内侧向刚度最大的主要横墙作为载体,利用已经积累出来的刚度优势,赋予新增的墙体材料,照样可获得较高的整体刚度增量。

一、构建剪力墙结构抗侧力体系的首要原则:

充分利用建筑的面宽来布置结构的横墙,提高剪力墙布置的结构效率。

二、提高剪力墙调整效率的首要原则:

采用增强横墙刚度的调整方案时,结构材料应优先设置于最优横墙上;

采用增强翼墙共同作用的调整方案时,应在最优横墙上远离组合截面形心的墙肢端部处设置翼墙。

总而言之:

充分利用结构工程中的“马太效应”,提高结构调整的效率。

 

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