高層建筑短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

顏 潤(rùn)

(安徽省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230022)

1 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的布置原則及特點(diǎn)

(1)短肢剪力墻主要布置在房間間隔墻的交接處，利用間隔墻位置來(lái)布置豎向構(gòu)件，基本上不與建筑使用功能發(fā)生矛盾。墻肢的數(shù)量要根據(jù)具體的抗側(cè)力要求進(jìn)行確定，不能過(guò)多或過(guò)少，主要視抗側(cè)力的需要而定，以免結(jié)構(gòu)過(guò)剛或者過(guò)柔。(2)短肢剪力墻應(yīng)該盡量均勻布置，以保證建筑物的剛心和質(zhì)心相一致，避免在地震中發(fā)生扭轉(zhuǎn)。(3)在結(jié)構(gòu)布置方面靈活性及可調(diào)整性大，可選擇的方案較多，較易處理樓蓋的支承，使其形成成片的聯(lián)肢抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。(4)當(dāng)水平荷載較大時(shí)或者建筑物造型不規(guī)則時(shí)，應(yīng)該在平面外各角點(diǎn)及邊緣處布置短肢剪力墻來(lái)滿足結(jié)構(gòu)平面剛度的要求和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性。(5)為了避免墻肢凸出各間隔墻表面。墻肢一般不宜過(guò)厚。根據(jù)建筑平面的抗側(cè)剛度的需要，利用中心剪力墻，形成主要的抗側(cè)力構(gòu)件，較易滿足剛度和強(qiáng)度要求。

2 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算

SATWE軟件不能自動(dòng)判斷短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，因此在短肢剪力墻較多時(shí)，可以暫時(shí)按“短肢剪力墻結(jié)構(gòu)”進(jìn)行試算，查看WV02Q.OUT輸出的柱及短肢剪力墻傾覆彎矩百分比等數(shù)據(jù)，并根據(jù)短肢剪力墻負(fù)荷的樓面面積與全部樓面面積的比值進(jìn)行判斷。

高層建筑中經(jīng)常遇到因功能要求底部樓層層高大于標(biāo)準(zhǔn)層的情況，為滿足剪力墻的穩(wěn)定性和承載力計(jì)算的要求，剪力墻墻體需加厚。理論上，底部剪力墻加厚對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和承載力有利，但因剪力墻加厚對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的抗震措施的改變會(huì)引起爭(zhēng)議。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)屬于剪力墻體系，下部結(jié)構(gòu)屬于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，若從結(jié)構(gòu)安全承載的層面出發(fā)，比較穩(wěn)妥的做法是:上部結(jié)構(gòu)按剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算與設(shè)計(jì)，下部結(jié)構(gòu)按短肢剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算和設(shè)計(jì)，同時(shí)房屋的最大適用高度依短肢剪力墻結(jié)構(gòu)層數(shù)的高度所占房屋的總高度的比例，乘以規(guī)范要求的20%所得數(shù)值作為高度降低的幅度進(jìn)行控制。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件布置，宜使兩個(gè)主要受力方向的剛度和承載力相近。如果X和Y方向中的一個(gè)界定為短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，另一方向界定為剪力墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)兩個(gè)方向按各自分析確定效應(yīng)和配筋，即分別設(shè)定結(jié)構(gòu)類型計(jì)算兩次，各取相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果;或從嚴(yán)控制，即只要一個(gè)方向符合短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的條件，就按短肢剪力墻進(jìn)行整體計(jì)算和配筋。

對(duì)于上部塔樓是短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，下部為框支轉(zhuǎn)換短肢剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)按短肢剪力墻結(jié)構(gòu)和復(fù)雜高層各計(jì)算一次，因?yàn)檫@類結(jié)構(gòu)同時(shí)符合兩類特殊結(jié)構(gòu)特征，而規(guī)范對(duì)這兩類結(jié)構(gòu)的要求各有側(cè)重，需要調(diào)整和加強(qiáng)的內(nèi)容各不相同。底部加強(qiáng)部位的框支剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)按“復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)”的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，上部非加強(qiáng)部位的短肢剪力墻應(yīng)按“短肢剪力墻”的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)

建筑物角點(diǎn)處的墻肢、底部外圍的小墻肢以及連梁等構(gòu)件均是短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)，尤其是發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，建筑物外邊緣和角點(diǎn)處的墻肢就會(huì)首先開(kāi)裂。在地震作用下，對(duì)于層數(shù)較高的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)將主要發(fā)生彎曲變形，底部外圍的小墻肢將破壞嚴(yán)重，特別是“一字形小墻肢破壞最嚴(yán)重。在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中，由于墻肢剛度相對(duì)減少，使連梁受剪破壞的可能性增加，因此設(shè)計(jì)中，對(duì)這些薄弱環(huán)節(jié)，更應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)概念設(shè)計(jì)和抗震構(gòu)造措施。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)在平面上分布要力求均勻，使建筑物的剛度中心和質(zhì)心盡量接近，以減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。適當(dāng)?shù)脑黾咏ㄖ矫嫱膺吘壖敖屈c(diǎn)處的墻肢厚度，加強(qiáng)墻肢端部的暗柱配筋量，嚴(yán)格控制墻肢截面的軸壓比，以提高墻肢的延性和承載力。高層建筑中連梁是一個(gè)耗能結(jié)構(gòu)構(gòu)件，連梁的剪切破壞將會(huì)使結(jié)構(gòu)的延性降低，對(duì)抗震極其不利，在具體設(shè)計(jì)工作中應(yīng)對(duì)連梁進(jìn)行“強(qiáng)剪弱彎”的驗(yàn)算，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中的短肢剪力墻宜在兩個(gè)方向均有梁與之拉結(jié)，連梁宜布置在各墻肢的豎平面內(nèi)，避免采用“一”字形短肢剪力墻，且短肢剪力墻配筋應(yīng)當(dāng)符合相應(yīng)的規(guī)范要求。

4 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題

(1)嚴(yán)格控制短肢墻的軸壓比，尤其是無(wú)翼緣或端柱的一字形短肢剪力墻。目前，根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果，在承受壓彎作用的剪力墻中，當(dāng)處于小偏壓狀態(tài)時(shí)，墻的延性較差。不僅如此，即使在大偏壓狀態(tài)下，若軸壓比較大，混凝土受壓區(qū)的邊緣應(yīng)力很高，如果混凝土沒(méi)有約束或約束不夠，可能混凝土先達(dá)到極限壓應(yīng)變，出現(xiàn)豎向裂縫，甚至壓碎，使構(gòu)件喪失變形能力和承載能力。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制短肢墻的軸壓比，以保證短肢墻的延性。

(2)應(yīng)采取三維計(jì)算方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析和桿件內(nèi)力計(jì)算。這時(shí)對(duì)于豎向構(gòu)件又有薄壁桿模型與墻元模型，前者是一種簡(jiǎn)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(xué)模型。

(3)由于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)相對(duì)于普通剪力墻結(jié)構(gòu)其抗側(cè)剛度相對(duì)較小，設(shè)計(jì)時(shí)宜布置適當(dāng)數(shù)量的長(zhǎng)墻，或利用電梯，樓梯間形成剛度較大的內(nèi)筒，以避免設(shè)防烈度下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的變形，同時(shí)也形成兩道抗震設(shè)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(shè)計(jì)中，簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)底部地震傾覆力矩的50%，必要時(shí)也可以通過(guò)增加長(zhǎng)肢墻的方法調(diào)整剛度中心位置。

(5)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系的抗震薄弱環(huán)節(jié)是建筑外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢，特別是“一字形”短肢剪力墻，可出現(xiàn)先于與其相連的粱破壞的情況。如當(dāng)高層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)有扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時(shí)，會(huì)加劇已有的翹曲變形，使其墻肢首先開(kāi)裂。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取必要的措施，如對(duì)位于建筑外邊緣及角點(diǎn)處的短肢剪力墻應(yīng)減小軸壓比，增大縱筋和箍筋的配筋率，加強(qiáng)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(jié)構(gòu)的安全性、實(shí)用性。

(6)要正確判定短肢剪力墻結(jié)構(gòu)墻肢平面內(nèi)梁的屬性。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JCJ5—2002)規(guī)定:剪力墻開(kāi)洞形成的跨高比小于5的連梁應(yīng)按連梁進(jìn)行設(shè)計(jì):當(dāng)跨高比大于5時(shí)宜按框架梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。連梁的剛度變化，直接影響了結(jié)構(gòu)的總體抗側(cè)移剛度，合理地選擇梁的截面和配筋，有利于提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。因此，小高層住宅短肢剪力墻結(jié)構(gòu)在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，墻肢剛度可相對(duì)減小:連接各墻肢間的梁剛度不應(yīng)折減。只有這樣，才能使梁截面設(shè)計(jì)易于滿足規(guī)范的要求，也是偏于安全的。

(7)小高層住宅在設(shè)計(jì)時(shí)，為避免連梁剪切破壞先于彎曲破壞，應(yīng)滿足強(qiáng)剪弱彎的要求:不宜采用窗下墻作為連梁，因?yàn)榇跋聣Ω叨群艽螅纬蓜偠群艽蟮募羟袎K，不利于結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，所以，宜將連粱設(shè)計(jì)成為截面、剛度較小的弱連梁。

5 結(jié)束語(yǔ)

作為剪力墻結(jié)構(gòu)體系的分支，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)布置方面的靈活性和可調(diào)整性，使其各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均較一般剪力墻結(jié)構(gòu)理想，因而在小高層住宅樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中已被廣泛采用。設(shè)計(jì)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)區(qū)別于一般剪力墻結(jié)構(gòu)，多結(jié)合住宅特點(diǎn)，使結(jié)構(gòu)剛?cè)徇m中，并運(yùn)用抗震概念設(shè)計(jì)的原則，采取有效的抗震措施，注重細(xì)部設(shè)計(jì)，從而做到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全、經(jīng)濟(jì)、適用。