抗震加固中增设混凝土剪力墙的刚度影响与优化布置分析

引言

随着建筑结构服役年限的增长及抗震规范的更新，现有建筑抗震性能不足问题日益突出，抗震加固是保障建筑结构安全的重要措施。目前全球地震灾害频发，强震对建筑结构造成的破坏不仅威胁着人民的生命财产安全，还可能造成城市功能的中断，带来难以估量的社会经济损失。混凝土剪力墙由于具有良好的抗侧移能力和刚度，可以有效地改善结构的动力反应，分散地震荷载，在抗震加固工程中得到了广泛的应用，为既有建筑 “延年益寿”、筑起城市抗震防灾防线提供了强有力的支撑。

一、抗震加固中增设混凝土剪力墙的刚度影响

（一）提升结构整体刚度的作用

抗震加固过程中，增设混凝土剪力墙能够大幅度加强结构整体刚度，因为剪力墙具有高面内刚度且与结构体系存在协同效应。剪力墙比原结构梁、柱承受水平地震作用时的变形能力更强，可以承担更多的水平荷载，从而加强抗侧刚度。结构整体刚度加强的程度与剪力墙截面尺寸、混凝土强度等级以及布置数量有关，并且呈非线性递增。受到整体受力体系的限制，剪力墙还可以改变结构整体刚度分布，使原结构刚度较弱处加强，使整体刚度得到均衡加强，为抵抗水平地震提供可靠的力学基础 [1]。

（二）对结构刚度均匀性的影响

增设混凝土剪力墙对结构刚度均匀性影响大，刚度均匀性是结构抗震性能关键。剪力墙布置不合理易出现刚度突变区，水平地震作用下产生应力集中，造成局部破坏；合理布置可改善原结构刚度不均，布置在薄弱处可使各区域刚度均衡，减少差异。但布置过于集中或参数选择不当，又会产生新的刚度不均，所以要结合原结构刚度分布，通过计算确定剪力墙布置及参数，优化刚度均匀性。

二、抗震加固中增设混凝土剪力墙的优化布置

（一）基于刚度匹配的布局策略

该策略重点在于增设剪力墙与原结构构件刚度相适配，防止受力失衡。要保证剪力墙承担水平荷载的时候，不能因为刚度过大而致使原构件作用失效或者产生应力集中，设计时，要算出原构件刚度来确定剪力墙刚度，从而形成协同受力体系 [2]。在实际操作中，某类多层框架建筑由于使用年限较长，原框架柱和梁的刚度已无法符合现在的抗震需求，打算增设剪力墙加以加固，设计团队先针对原框架的梁、柱刚度展开细致测算，找出原结构在水平荷载作用下的受力薄弱之处，而后按照测算结果来确定新增剪力墙的截面大小和材质参数，既要保证新增剪力墙的刚度能够分担部分水平荷载，又不能因为剪力墙刚度过大而导致原框架梁、柱在受力过程中出现应力集中现象。在布置位置方面要结合原结构的受力路径，把剪力墙布置在框架结构的关键受力节点附近，让剪力墙与原框架实现协同受力。

（二）抗侧力体系协同布置方法研究

此法重视增设的剪力墙同原结构抗侧力体系配合，一同抵御水平地震。原结构抗侧力体系性能有限，增设剪力墙之后要形成复合体系，力才能有效传递分配，布置时要联系原抗侧力构件分布及其受力情况，把剪力墙布置在关键节点或者主要受力方向。某栋高层办公楼原抗侧力体系主要由框架柱和少量支撑构件形成，遇到较强水平地震作用的时候，抗侧移能力不够，结构容易产生较大变形，为改善这种情况，设计人员决定增设剪力墙，使之同原抗侧力体系合作 [3]。先对原结构抗侧力构件的分布情况以及受力状况进行全面分析，弄清楚建筑在水平方向上主要受力的方向及其关键受力点，然后把剪力墙安排在主要受力方向上的关键节点处，像建筑平面的两端以及中间受力较大的地方，连接时采用可靠的节点连接形式，保证剪力墙同原框架柱、梁之间可以有效地传递力，节点的强度和刚度要得到保障。

（三）平面与竖向布置规律的优化思路

这个思路从空间受力角度去改良布置，保障结构平面和竖向抗震性能。平面上，剪力墙要沿着两个主轴均匀布置，做到对称刚度分布，防止扭转，还要协调使用功能，控制剪力墙间距[4]；竖向上，依照刚度渐变原则，剪力墙应连续布置，如果要改动，也要保证刚度慢慢改变。在实际建筑设计里，某个住宅小区的一栋住宅楼在设计的时候，就按照平面和竖向布置规律改良思路来布置剪力墙。在平面布置上，设计人员按照建筑的平面形状和功能需求，沿着建筑的两个主轴方向均匀布置剪力墙，通过合理的安排剪力墙的位置与数量，使得建筑平面形成对称的刚度分布，从而有效地防止了建筑在水平地震作用下由于刚度分布不均而产生的扭转现象，同时充分考虑住宅内部的使用功能，在保证结构抗震性能的前提下，合理地控制剪力墙之间的间距，给住户提供一个开阔、实用的室内空间，避免剪力墙过多地占用室内使用面积。

结语

当下，全球范围内的地震灾害频繁出现，建筑结构在地震作用下的安全问题变得愈加突出。而且，我国城镇化进程不断推进，致使大量既有建筑的服役年限增长，其抗震性能渐渐不能符合现行《建筑抗震设计规范》的标准，抗震加固成为了延续建筑使用寿命、保证人民生命财产安全的关键手段。增添混凝土剪力墙属于抗震加固的关键技术之一，它能够有效地改善结构的抗侧移性能并提升整体稳定度，其应用价值和研究意义日渐显著。

参考文献

[1] 袁程 , 熊青松 , 孔庆钊 . 钢筋混凝土剪力墙抗震滞回性能的多元时序深度神经网络预测 [J]. 工程力学 ,2024,41(06):66-76.

[2] 马少春 , 李嘉衡 , 鲍鹏 , 田宇 , 李梁慧 . 双排配筋陶粒混凝土剪力墙抗震实验研究 [J]. 河南大学学报 ( 自然科学版 ),2021,51(04):473-479.

[3] 梁梓豪, 龚超, 胡义, 张素梅, 钱元弟. 水平接缝连接对装配式混凝土剪力墙抗震性能的影响 [J]. 建筑结构学报 ,2024,45(S1):216-227.

[4] 付雅娣 , 朱广宏 , 曹永贝 , 董俊海 , 杨俊禄 . 超高现浇混凝土剪力墙施工关键技术研究 [J]. 建筑技术 ,2024,55(12):1495-1499.