剪力墙结构设计进阶之路（六）——有些墙体为什么重要？

在进阶之路（五）中，大白提出了基于侧移变形的结构调整策略。

 

但在解决实际工程问题时，大家肯定会有这样的疑问：

 

结构任一主轴方向的变形是非常直观的，配套的结构调整方案也弄懂了，只是在上手时，依然无从下手。

 

大白也经历过同样的阶段，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EJ_d为该轴方向上所有墙体侧移刚度的和，即EJ_d=EJ_d1+……+ EJ_dn。

 

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。

 

剪力墙结构平面

 

墙1和墙2的墙肢材料用量相同，等效抗侧刚度指标如何？

联肢墙墙1（墙2）布置图

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。

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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。

 

增设翼墙后联肢墙墙1（墙2）布置图

 

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。

 

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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。

 

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前文提到，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。

 

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本章小结：

 

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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