福煤花园高层剪力墙结构设计.pdf

第4 6 卷 第2 期 2 0 1 4 年 第2 期 煤炭工程 COA L E NGI N EE RI NG Vo 1 4 6， No 2 No 2，2 01 4 do i ： i 0 1 1 7 9 9 c e 2 01 4O 2 O 0 9 福煤花园高层剪力墙结构设计 王朝霞，田亚珍 ，李胜利 ( 中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安7 1 0 0 5 4 ) 摘要：文章从上部结构布置、薄弱部位处理、基础方案三个方面，分析了平朔福煤花园8 号住宅楼设计 中的问题和解决方法；实践证 明，该项 目设计满足结构的安全性、适用性要求，经 济效益 良好 。文章基 于该 项 目设计 总结 了相 关技 巧和方法 ，为 高层剪 力墙 结构设计提供一 定 参考。 关键词：结构布置；薄弱部位加强 ；高层剪力墙 中图分类号 ：T U 9 7 3 1 6 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 6 7 1 0 9 5 9 ( 2 0 1 4 ) 0 2 - 0 0 2 5 -03 Ex p e r i e nc e s o n De s i g n o f S h e a r W a l l S t r uc t ur e f o r Hi g h Bui l di ng i n Fume i Ga r d e n WANG Z h a ox i a ， T I AN Yaz h e n， L I S h e n gl i ( C h i n a C o a l Xi a n D e s i g n E n g i n e e r i n g C o mp a n y L i m i t e d ，X i a n 7 1 0 0 5 4，C h i n a ) Ab s t r a c t ：F r o m t h e t o p s t r u c t u r e l a y o u t ，we a k n e s s l o c a t i o n t r e a t me n t a n d b a s e s c h e me ， t h e p a p e r a n a l y z e d t h e p r o b l e ms i n t h e d e s i g n o f No 8 r e s i d e n t i a l b u i l d i n g i n P i n g s h u o F u me i G a r d e n a n d t h e s o l u t i o n T h e p r a c t i c e s s h o we d t h a t t h e p r o j e c t d e s i g n c o u l d m e e t t h e s a f e t y a n d s u i t a b i l i t y r e q u i r e me n t s o f t h e b u i l d i n g s t ruc t u r e a n d t h e e x c e l l e n t e c o n o mi c b e n e fi t s w e r e r e a l i z e d B a s e d o n t h e p r o j e c t d e s i g n ，t h e p a p e r s u m m a r i z e d t h e r e l a t e d s k i l l s a n d m e t h o d ，w h i c h c o u l d p r o v i d e c e r t a i n r e f e r e n c e s t o t h e d e s i g n o f t h e s h e a r wa l l s t ruc t u r e f o r t h e h i g h b u i l d i n g s Ke y wo r d s ： s t ruc t u r a l l a y o u t ；r e i n f o r c e me n t o f we a k n e s s l o c a t i o n； h i g h r i s e s h e a r wa l l 福煤花园是中煤平朔煤炭工业公司住宅小区项 目，该小 区位 于山西省朔州 市经济技术开发 区，小区总建筑 面积为 2 3 万m ，建有5栋2 8 层住宅楼、6栋 1 6层住宅楼及配套设施。 小区的4 、5 、8 、1 1 号住宅楼均为 2 8层剪力墙结构，该 4栋 建筑在设计中充分考虑优化关系，具备结构布置合理、便于 施工、节约材料等优点。本文以 8号住宅楼为例，对高层剪 力墙结构设计中常见问题及解决办法进行分析。 抗震设防烈度为 7度，设计基本地震加速度为 0 1 5 g ， 设计 地震 分组 为第一 组 ，场地 类别 为 类 ，建 筑抗 震设 防 类别为丙类；基本风压值为 0 6 0 k N m ，地面粗糙度为 B 类 ；基本雪压值为0 2 5 k N m 。 1 结构 布 置 1 1 尽 量 避免 结构 大错层 8号楼是仅底部两层含有商业功能的住宅楼房，而且其 底部两层 中，临街一侧为商铺，靠近小区一侧仍为住宅。 为了满足商铺层高需要 ，原建筑方案中建筑物靠近小区的 一 至三层设计为住宅，在临街一侧设计为两层商铺 ，这样 就形成很大的结构错层。对此，设计进行了有关的结构受 力计算和相应 的经济效应分析 ，结果表明，若按错层设计 则会增大建筑成本且抗震性能降低。在最终的设计方案中， 该建筑底部两层的两侧层高统一调整为 3 9 m，即住宅和商 铺均为两层，这样，在不影 响建筑功能的同时也避免大错 层 出现 。 1 2抗侧 力构件 的布 置 在结构设计 的整个 过程 中，都要 被强 调 的是“ 概念设 计” ，剪力墙作为抗侧力构件 ，布置需要注意：平面内要求 均匀性 、双 向刚度 的相 近性 ，且 尽可能 按照 大开 间来布 置 剪力墙，竖向要求刚度 的连续性、渐变性，避免竖向刚度 突变，避免出现短肢剪力墙。本工程从以下几个方面来保 证这些要求： 1 )尽量保证剪力墙平面布置均匀，且两个主轴方向侧 向刚度相近。该工程结构平面横向尺寸为 1 9 1 m，纵向尺 寸为3 4 m，两个方向尺寸相差较大。剪力墙布置时让更多 收稿 日期 ：2 0 1 3 0 6 0 9 作者简介：王朝霞( 1 9 8 1一) ，女，山东菏泽人，硕士 ，工程师、一级注册结构工程师，现从事结构设计和研究工作 ， E ma i l：61 74 60 22 qq c o n 。 引用格式 ：王朝霞 ，田亚珍 ，等福煤花园高层剪力墙结构设计 J 煤炭工程，2 0 1 4 ，4 6 ( 2 ) ：2 5 2 7 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 4 年第2期 的墙肢沿着横向布置，以使得两个方向剪力墙的整体侧向 刚度相近，在结构周边布置的剪力墙较长 ，以增强结构的 抗扭转性 ，满足结构设计中的周期比指标控制要求。 结构中，由楼梯、电梯以及水电井组成交通核部分的 剪力墙相对集中、刚度较大，为保证结构平面刚度均匀性， 本工程中交通核位置的剪力墙通过多开洞、大开洞方式削 弱此处刚度，从而解决平面刚度集 中的问题；此外，在结 构平面下方两个突出的房间位置设置了长肢剪力墙，以保 证平 面刚度 的纵 向均匀性 。 2 )按大开间原则布置剪力墙。大开间有利于建筑平面 灵活布置 ，减少钢筋和混凝土用量、减小结构 自重、降低 建筑造价。此外，设置大开间后结构的水平抗侧刚度减弱， 柔度增加 ，其 自振周期相对变大 ，结构的变形也适 当加大， 而结构底部的地震剪力和地震总弯矩，由于结构 自身刚度 的减弱，会比小开间布置剪力墙方案的结果小。墙体重量 适中，墙体配筋率适宜，结构和基本构件的延性增加，抵 抗地震作用的能力提高。按照这个原则布置，剪力墙的布 置开间在 5 9 7 2 m范围内的有很多，这样的布置方式使 结构 既安 全又经济 。 3 )避免短肢剪力墙。短肢剪力墙结构不仅抗侧刚度较 小，尤其大开间剪力墙结构中，为结构贡献的侧向刚度很 有限，且其在规范要求下，需要对结构抗震等级要提高一 级，构造同样有所提高，用钢量并不节省。所以本结构 中 墙体避免采用短肢剪力墙。 4 )避免结构的竖向不规则。结构的局部收进尺寸过大 或竖向抗侧力构件不连续，都会导致竖 向不规则，会在结 构某些楼层形成薄弱层 ，对结构抗震极其不利。该工程墙 体自下而上，连续不断，避免局部尺寸大收进，墙体厚度 逐层变薄，混凝土标号也依次降低，避免了结构抗侧刚度 和承载力的突变，也为上部剪力墙降低配筋量创造了条件。 3 薄弱部位楼板加强措施 楼板的加强，主要是为某些楼层或楼层局部位置，提 供有效的平面刚度，确保水平荷载在抗侧力构件( 剪力墙) 之间能够有效的传递。 1 )地下室顶板( 标高 一0 1 5 0 m) 厚度的选用。为了加 强地下室墙体之间的协同工作，使得一层的地震剪力能够 通过地下室顶板很好的扩散到周边的墙上，本工程将该层 板的厚度定为 1 6 0 m m，并采取了双层双向配筋。 2 )交通核周边板的加强。交通核内由于楼梯及梯井的 板上洞口需求，致使结构在该位置的平面刚度被极大的削 弱。为了使楼板能够顺利的将剪力传递，让该位置剪力墙 充分发挥其抗水平力的作用，设计时对交通核周围及其内 部的楼板加厚至 1 2 0 ra m。板配筋方面也采取了双层双向通 长钢筋的布筋方式。 3 )转角窗位置楼板、墙体的加强。建筑设置了两处转 角窗，位于建筑物的角部 ，距离结构平面中心较远，结构 受力相对较大。由于设置转角窗，破坏了该位置墙体的连 续性、封闭性，墙体平面处稳定性较差，容易形成结构的 薄弱部位。 该工程在该位置采取了特殊的加强措施。具体如下： 在计算 中，该位置转角梁的弯矩不调幅，扭矩不折减，并 按照双向挑梁计算，并加强配筋 ，挑梁的抗震等级提高一 级；剪力墙靠近转角窗的端部，上下通高设置了约束边缘 构件。由于转角窗两侧的墙体受限于建筑使用功能，使得 剪力墙基本上呈现 “ 一”字形，故将该转角梁的截面高度 取了较大值( 6 0 0 m m) ，梁 内配筋上下通长，并将房间的楼 板厚度同比加厚至 1 5 0 m m，在转角窗位置的楼板内设置与 板同厚的暗梁( 宽度 6 0 0 ra m) 。这一措施保证该位置的整体 性 ，使得薄弱部位不容易被破坏。 2 结构计算与分析4 基础设计 该工程采用中国建筑科学研究院 P K P M系列 S A T WE三 维分析程序来进行计算分析。设计参数定义中，结构周期 折减系数取 0 9 5 ，中梁刚度增大系数取 2 0 ，连梁刚度折 减系数取 0 5 5 。计算振型为前2 1阶，结构在 x方向的有效 质量系数为 9 8 7 3 ，Y方向的有效质量系数为 9 7 5 6 ， 均满 足要求 。 在结构合理布置和计算参数合理取值条件下 ，计算结 果处于合理的范围内。例如 ，控制结构整体性的主要指标 情况 ：周期 比0 7 3 0 ，小于规定的0 8 5 ； X方向最大位移比 为 1 1 4 ，Y方向的最大位移比为 1 2 6 ，小于规定 1 5 ；刚 度比、层间受剪承载力之比在 x方向最小值为 0 9 4 ，Y方 向为0 9 1 ，大于规定的0 8 ；X向、Y向刚重比分别为4 3 1 和 5 0 1 ，大于 1 4 ，满足整体稳定( 大于 2 7可不考虑重力 二阶效应) ；剪重比及轴压比计算结果都很理想。计算结果 证明了结构的合理性。 2 6 1 )该工程基础埋深为7 5 2 m，相邻 G区地下车库的基 础埋深为 6 5 3 m，相邻 H区地下车库的基础埋深为 7 2 3 m， 由于距离旁边地下车库的距离较近，所以基础埋深不能高 于地下车库的基础。若基础埋深为了满足有关规范对于基 础嵌固深度不小于2 m的规定，而增加基础埋深，会大量增 加混凝土及钢材用量 ，经济性明显偏差。相比之下，采取 对高层地下室外墙与地下车库外墙之间的回填材料采用中 粗砂或2 ： 8 灰土回填，增强其密实性 ，并对地下车库靠近高 层一侧边跨设置适当的剪力墙增强其地下车库的侧向刚度。 这样，地下车库和外部的高密度回填材料就能为高层提供 有效的侧向约束。 2 )采用墙下条形承台桩基础，桩基本上布置在剪力墙 下，部分位置由于承载力的需要设为三桩、四桩 、五桩承 台，数量较少。这样，墙下条形承台配筋，按构造配筋 即 可。由于地下水位较深，可以不考虑地下水的影响，但地 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4 年第2期 煤炭工程 下室设有 大面 积设 备用 房，在 非墙下位 置设 置厚度 为 5 0 0 ra m厚筏板以防地表水的渗入。既避免 了桩筏基础中， 筏板材料用量的高成本 ，又能够满足基础对室内防水及桩 基础间的协同工作的要求。 3 )根据本工程提供 的有关地质报告 知 ，基础地 面以下 土层主要包括黄土状粉土、粉土和粉质粘土三大类 ，土层 厚度较厚，地基承载力特征值均偏低。因本工程对地基承 载力较高，采用摩擦型钢筋混凝土灌 注桩。作为摩擦桩 ， 其竖向承载力的大小 ，直接与桩径有着直接的关系。本工 程采用桩径 D= 7 0 0 ra m的钢筋混凝土灌注桩。与直径 D= 8 5 0的相比，在同等桩长条件下，D=8 5 0 mm桩承载力提高 2 1 4 ，但混凝土用量增加 4 7 5 ，钢筋用量增加 2 5 ， 不经济。与直径 D： 7 0 0 ra m时相比，在同等桩长条件下 ，D =6 0 0 mm桩承载力降低了 1 5 ，如果保持承载力不变 ，则 桩长需要加长约6 5 m，要穿透承载力较好的砾砂层。相 比 之下 ，采用 D=7 0 0 ram桩径 的桩 ，在 确保 承载力 不 变 的条 件下 ，既方便施工，又节省材料。 墙墙体厚度 2 5 0 ra m( 11 8层) 、2 0 0 ram( 1 9 3 0层) ，如在 1 1 1 8层问再变一次厚度，这样材料用量更节省。 2 )钢筋混凝土灌注桩的优化：由于该工程工期 比较 紧，试桩静载荷试验荷载加到估算的单桩竖向承载力就中 止加载，但荷载一沉降( QS ) 曲线没有陡降段，理论上还 可以继续加载，单桩极限承载力有可能会提高，反馈到设 计后，桩工程量可以减小，更为经济” J 。 6结语 结构设计要注意解决两个层次的问题：一是考虑从哪 几个方面进行结构优化设计；二是掌握各个方面中结构优 化设计的技巧。针对第一个问题，不是主观臆断的，而应 该基于结构抗震的概念设计来确定。例如，本案中所涉及 的结构布置、薄弱层处理、基础方案均属于概念设计的范 畴。针对第二个问题，则要求设计人员不断地学习，不但 要掌握理论 ，还要善于学习别人的经验。本工程对结构布 置、基础方案、处理薄弱层等_T作进行了专门研究 ，提出 解决方法，得到良好的效果，为类似的项目设计提供借鉴。 5经济性比较及可优化空间 参考文献 ： 目前市场上剪力墙结构用钢量为 5 5 7 5 k g m ，该工程 建筑面积 1 5 4 0 0 m 。 ，折合用钢量为 5 6 3 5 k g I n ，与市场上 用钢量的平均值 6 5 k g 相比，可节约钢材 1 3 3 2 t 。与剪力墙 结构最低用钢量 5 5 k g IT I 相 比，尚有可优化的空间，分析 原 因，归纳 出如下两点 ： 1 )剪力墙厚度的优化 ：考虑到模板转换的问题，剪力 ( 上接 第 2 4页) 现矿化的形式 ，其紊流强度大，泡沫精煤中常夹带有大量 高灰细泥物质 ，从而导致精煤灰分偏高 ；旋流微泡浮选柱 集高效的管流矿化、旋流矿化和逆流矿化于一身，不仅提 高气泡矿化效率，而且强化细粒的分选和回收作用，有效 提高精矿的产率和质量。同时柱体内无机械搅拌装置，紊 流程度低，满足了矿化气泡静态化分选的需要。 3 )传统浮选机槽体浅 ，泡沫层薄；然而旋流微泡浮选 柱拥有较大的泡沫精选区，泡沫层厚，二次富集作用强。 再加上顶部设有冲洗水装置，迫使泡沫问夹带的入料水和 高灰细泥排出，有利于提高分选精度，生产低灰精煤。因 此旋流微泡浮选柱更有利于提高细粒煤泥浮选选择性 ，减 少 高灰细泥 的污染 。 3结论 1 )“ 2+ 2 ”流程在处理高灰难浮煤泥时，该流程存在 二次浮选精煤灰分偏高，重介精煤 “ 背灰”严重 的难题。 因此选 择性能优 越 的浮选设备 保证二 次浮选效 果，对 “ 2+ 2 ”流程优势的发挥起到关键作用。 2 )浮选柱与浮选机分选瑞祥洗煤厂煤泥的对比试验表 明：浮选机分选精煤灰分不能满足产品质量要求；然而浮 选柱能够生产合格精煤 ，解决重介精煤 “ 背灰”难题。同 1 G B 5 0 0 1 02 0 1 1 ，混凝 土结构设计规范 s 2 G B 5 0 0 1 1 2 0 1 0 ，建筑抗震设计规范 s 3 J G J 32 0 1 1 ，高层建筑混凝 土结构技术规程 s 4 J G J 7 9 2 0 1 2 ，建筑地基处理技术规范 s 5j 方鄂 华 高层建 筑钢 筋混凝 土结构 概念设 计 M J 北 京 ： 机械工业出版社，2 0 0 4 ( 责任编辑杨蛟洋) 时在精煤产率相当时，相比于浮选机，浮选柱分选精煤灰 分降低 3 4 4 ，尾煤灰分提高 1 6 7 ，浮选完善指标提高 6 5 4 ；在精煤灰分相当时，精煤产率提高 1 0 ， 2 7 ，尾煤 灰分提高6 9 1 ，浮选完善指标提高 5 1 4 。 3 )旋流微泡浮选柱作为二次浮选设备不仅是可行的， 而且相比于传统浮选机更具有优势。 参考文献： 1 谢广元 ，吴玲 ，欧泽 深 ，等 煤 泥分 级浮选 工艺 的研究 J 中国矿业大学学报 ，2 0 0 5，3 4 ( 6 ) ：7 5 67 6 0 2 崔广文 ，张继柱 ，扶祥通 ，等 煤泥粒度组成对浮选影响的 研究 J 选煤技术 ，2 0 0 7 ( 4 ) ：2 0 2 2 3 赵 树彦 高效 、简 化 的重介 质 选煤 及煤 泥 水 处理 新 工艺 J 洁净煤 技术 ，2 0 1 0，1 6 ( 6 ) ：1 5 4 王万明，姜云，李强， 等 煤泥两段浮选一两段脱水回 收工艺在友谊选煤厂的应用 J 煤炭加工与综合利用， 2 0 1 0 ( 2 ) ：71 1 5 彭昌盛 ，蔡璋 浮选柱与浮选机分选煤泥的对 比试验研究 J 洁净煤技术 ，1 9 9 7 ，3 ( 4) ：1 01 3 6 邵怀志， 谢广元 ， 刘畅，等 浮选柱与浮选机分选细粒粉 煤的对比性实验研究 J 煤炭工程，2 0 1 1 ( 9 ) ：1 0 3 1 0 5 ( 责任编辑杨蛟洋) 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m