淺談小高層住宅中短肢剪力墻結構的設計與應用

劉春生孫洪斌

（1、哈爾濱寅易龍建筑工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150010；2、黑龍江奔馳建筑集團有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150030）

1 短肢剪力墻結構體系的特點

(1)結合建筑平面,利用間隔墻位置來布置豎向構件,基本上不與建筑使用功能發生矛盾。

(2)墻的數量可多可少,肢長可長可短,主要視抗側力的需要而定,還可通過不同的尺寸和布置來調整剛度中心的位置。

(3)在結構布置方面靈活性及可調整性大,可選擇的方案較多,較易處理樓蓋的支承。

(4)連接各墻的梁,隨墻肢位置而設于間隔墻豎平面內。可隱蔽。

(5)根據建筑平面的抗側剛度的需要,利用中心剪力墻,形成主要的抗側力構件,較易滿足剛度和強度要求。

2 短肢剪力墻結構布置

(1)短肢墻的數量應當適中,避免結構太剛或太柔,滿足豎向荷載和抗側力需要即可。

(2)短肢剪力墻的縱橫應盡量均勻分布,其軸向應力不應相差懸殊。

(3)短肢剪力墻肢間距不宜過大,在平面外邊緣及角點處,特別是外凸部分,布置必要的短肢墻,既有利于梁的支撐,又可以分散荷載,以加強其整體性和滿足平面剛性的要求。

(4)各短肢剪力墻應盡量對齊并拉直,與連梁一起構成成片的聯肢墻抗側力結構。

(5)每道短肢墻宜與兩個方向的梁連結,連梁盡可能布置在墻肢的豎平面內;連梁寬度一般宜與墻肢厚度相等;墻肢不宜過厚,以采用200mm、250mm或300mm為宜;可以混合布置部分較長的墻或矩形柱。

(6)小高層珠海外圍部分的豎向構件根據受力的需要和建筑平面布置,設置適量的鋼筋混凝土短肢剪力墻,在各短肢剪力墻的墻肢間布置連系梁,把這些短肢墻以及核心筒連成一個整體,構成整幢建筑的結構體系。

3 短肢剪力墻結構的計算分析

對短肢剪力墻結構的設計計算,因其是剪力墻大開口而成,所以基本上與普通剪力墻結構分析相同,可采用三維桿——系簿壁柱空間分析方法(TBSA、TAT)或空間桿——墻組元分析方法(TBSSAP、SATWE)。其中空間桿墻組元分析方法計算模型更符合實際情況,精度較高。目前國內大多采用中國建研院系列軟件中的TAT和SATWE來計算。

3.1 TAT

TAT軟件采用的是三維空間模型,對剪力墻采用薄壁柱單元計算原理,對梁柱采用空間桿系計算原理。在TAT計算中,為了使結構受力更合理,應對結構進行計算簡化;對多肢剪力墻計算最常用的手段是按剪力墻開洞的辦法進行,開洞應上下對齊,減少上下偏心。剪力墻開洞后,洞口上下剩余部分TAT用梁單元來模擬。開洞主要是為了把剪力墻簡化為符合薄壁柱的計算模型,同時使簡化后的剪力墻的受力更為明確。TAT中樓板采用剛性樓板假定,即平面內剛度無限大,平面外剛度為零。此假定對規則結構即樓板無大開洞且板厚不大的常規結構計算誤差很小。

3.2 SATWE

SATWE是專門為多高層建筑結構分析而研發的空間組合結構有限元分析軟件,適用于各種復雜體型的高層鋼筋混凝土結構體系計算。SATWE是以殼元理論為基礎構造一通用的超單元墻元為模擬剪力墻,它不僅具有平面內剛度,也具有平面外剛度,可以較好地模擬剪力墻的受力狀態。而且墻元的每個節點都具有空間6個自由度,可方便地與任意空間梁柱單元連接,無需任何附加約束。SATWE給樓板4種簡化假定,即假定樓板整體平面內無限剛、分塊無限剛、分塊無限剛帶彈性連接板帶和彈性樓板。

4 短肢剪力墻結構設計應注意的問題

(1)嚴格控制短肢墻的軸壓比,尤其是無翼緣或端柱的一字形短肢剪力墻。目前,根據國內外研究結果,在承受壓彎作用的剪力墻中,當處于小偏壓狀態時,墻的延性較差。不僅如此,即使在大偏壓狀態下,若軸壓比較大,混凝土受壓區的邊緣應力很高,如果混凝土沒有約束或約束不夠,可能混凝土先達到極限壓應變,出現豎向裂縫,甚至壓碎,使構件喪失變形能力和承載能力。因此,在設計時,應嚴格控制短肢墻的軸壓比,以保證短肢墻的延性。

(2)應采取三維計算方法進行結構的動力特性分析和桿件內力計算。這時對于豎向構件又有薄壁桿模型與墻元模型,前者是一種簡化模型,但精確度較低;后者是板元與膜元的組合,是一種高精度力學模型。

(3)由于短肢剪力墻結構相對于普通剪力墻結構其抗側剛度相對較小,設計時宜布置適當數量的長墻,或利用電梯,樓梯間形成剛度較大的內筒,以避免設防烈度下結構產生大的變形,同時也形成兩道抗震設防。

(4)各墻肢分布要盡量均勻,使其剛度中心與建筑物的形心盡量接近;抗震設計中,簡體和一般剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩不宜小于結構底部地震傾覆力矩的50%,必要時也可以通過增加長肢墻的方法調整剛度中心位置。

(5)短肢剪力墻結構體系的抗震薄弱環節是建筑外邊緣及角點處的墻肢,特別是“一字形”短肢剪力墻,可出現先于與其相連的梁破壞的情況。如當高層短肢剪力墻結構有扭轉效應時,會加劇已有的翹曲變形,使其墻肢首先開裂。因此,設計時應采取必要的措施,如對位于建筑外邊緣及角點處的短肢剪力墻應減小軸壓比,增大縱筋和箍筋的配筋率,加強小墻肢的延性抗震性能,避免形成孤立的“一”字形短肢剪力墻,以保證結構的安全性、實用性。

(6)要正確判定短肢剪力墻結構墻肢平面內梁的屬性。《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ5-2002)規定:剪力墻開洞形成的跨高比小于5的連梁應按連梁進行設計;當跨高比大于5時宜按框架梁進行設計。連梁的剛度變化,直接影響了結構的總體抗側移剛度,合理地選擇梁的截面和配筋,有利于提高結構的抗震性能。因此,小高層住宅短肢剪力墻結構在實際設計時,墻肢剛度可相對減小;連接各墻肢間的梁剛度不應折減。只有這樣,才能使梁截面設計易于滿足規范的要求,也是偏于安全的。

(7)小高層住宅在設計時,為避免連梁剪切破壞先于彎曲破壞,應滿足強剪弱彎的要求;不宜采用窗下墻作為連梁,因為窗下墻高度很大,形成剛度很大的剪切塊,不利于結構的抗震設計,所以,宜將連梁設計成為截面、剛度較小的弱連梁。

5 短肢剪力墻結構的構造要求

短肢剪力墻結構的構造要求同一般剪力墻結構。目前我國各設計院在短肢剪力墻的結構設計中,剪力墻端部暗柱的設置有兩種形式:一種是端部做暗柱,設置剪力墻水平和豎向分布筋,適于肢長較長的短肢剪力墻;另一種有點類似異形柱的配筋方法,以腹部均勻配筋,腹部鋼筋面積根據電算時人為設置豎向分布筋的配筋率來計算,電算出的暗柱鋼筋面積放在端部,適于肢長較短的短肢剪力墻,且配筋形式較簡化,利于工程施工。

短肢剪力墻的連梁應進行正截面極限承載力計算和斜截面抗剪極限承載力計算。目前,短肢剪力墻正截面極限承載力計算多采用構建截面分析的一般方法——全過程分析方法;連梁的正截面配筋,按矩形截面構件計算,取上、下配筋的較大值,按對稱配筋置于梁截面上、下部位,按斜截面抗剪計算所得的箍筋沿全跨加密設置。另外,短肢剪力墻的連梁在進行抗震設計時,其彎矩和剪力進行塑性調幅,以降低其剪力設計值;當部分連梁降低彎矩設計值后,應相應提高其余部位連梁和墻肢的彎矩設計值;為避免在使用過程中連梁中裂縫開展過早、過大,當內力計算時連梁的剛度已經折減,則應限制其調幅的范圍或不再調幅。

[1]張曉芬，張揚.高層住宅剪力墻的合理布置.科技情報開發與經濟【期刊】科技情報開發與經濟，1999-08-30.