短肢剪力墻結構在高層建筑中的特點和應用探析

周建民

【摘 要】隨著我國高層建筑越來越多地出現，而大多數都用到短肢剪力墻的結構形式，主要是要考慮其綜合因素，這樣才能降低生產成本和施工周期，確保建筑物的質量得到可靠地保證。本文就高層建中常用到的建筑短肢剪力墻進行剖析，對其基本特點和使用原則進行探析，為短肢剪力墻在高層建筑中的實際應用提供一些可靠的支撐和有益的參考。

【關鍵詞】短肢剪力墻；高層建筑；結構設計；安全可靠；經濟合理；抗側剛度；整體穩定性

中圖分類號： TU973.16 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）34-0238-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.34.098

0 引言

隨著我國經濟快速發展，以及在建筑技術方面的突破，使得投入到大型高層建筑的人力、物力等資源相繼涌入，這使得高層建筑如雨后春筍般地涌現。短肢剪力墻在中高層建筑中抗側力構件數量選取上應遵循根據建筑對使用功能上的要求對短肢剪力墻進行合理布置。在滿足結構的水平和豎直承載力的情況下，選取數量適中的短肢剪力墻布置，不能使結構剛度太大或者太小。短肢剪力墻數量應均勻合理，使建筑結構剛度中心和質心盡量保持一致，以便形成聯肢墻抗側力結構等原則。經過多年的研究和發展，對短肢剪力墻的各種結構、力學特性進行了全方位、多角度研究，并逐步完善其結構特征。短肢剪力墻在結構和受力分析上具有獨特的優勢，能夠與高層建筑的功能相結合起來，很好地擺脫了框架式結構帶來的墻柱與墻體相互突出的結構特點。在各個短肢剪力墻之間用梁連接起來，這樣使結構的整體性更好，其抵抗變形的能力也就更上一層樓。于此同時，這樣也可以在室內使整個房屋外觀看起來更加漂亮，空間管道布局也更加合理，體現出建筑結構的整體美。短肢剪力墻比一般剪力墻表現出靈活多變的特點，在房間安排分隔上更具有比較明顯的優勢。結構的抗側剛度和整體的結構剛度也可以更好的控制和調整，避免了剪力墻剛度過大，過于浪費的情況發發生，這樣靈活的結構為結構工程師的設計思維提供更廣闊的空間。本文以高層建筑中短肢剪力墻為研究對象，就其在高層建筑中的基本特點進行說明，為高層建筑中短肢剪力墻結構設計提供一點參考和可靠的支撐。

1 高層建筑中短肢剪力墻的基本特點

在最新的《高規》中，短肢剪力墻已明確指出為墻肢的高度與上墻肢的高度之比，其比值范圍在四到八范圍之內，不管怎樣，短肢剪力墻從結構劃分上來看，仍屬于剪力墻體系中的一種。短肢剪力墻的厚度范圍主要在180mm到250mm之間；肢長范圍主要在800mm到2000mm之內。短肢剪力墻主要結構有T形、L形、Z型等，在建筑結構中其主要出現在外墻和內墻相連接處和在建筑結構墻體轉角處較多。在高層建筑中，其結構受力需要考慮諸多因素，使得在進行結構設計需要考慮到各個方面的情況。在設置短肢剪力墻時需要注意在具有豎向交通區域時，其分隔墻需要設計成剪力墻，因為這樣可以使建筑結構是相對完整的，這樣就可以用來抵抗側向力和豎向載荷。外墻周圍的豎向受力構件根據短肢剪力墻結構承載力的需要和建筑平面特點而定，把短肢剪力墻按照規范和要求布置在結構的平面，連接梁設在墻體之間，用來將短肢剪力墻相互連接起來，形成整體。

通過以上對短肢剪力墻的基本性質和設計要求，其主要的特點有幾下幾個方面：（1）隔墻位置設置豎向構件。這主要結合高層建筑的平面結構特點，并且在與建筑所發揮的功能不重合的前提下，可以在隔墻位置設置豎向構件。（2）短肢剪力墻的數量和肢的長短。根據高層建筑結構的抗側力要求，需要設置短肢剪力墻所需要的數量以及肢的長短。（3）滿足結構的需要。在高層建筑中，將中心豎向的交通區域做成筒體，可以滿足整體結構平面的需要，也可以滿足建筑結構抗側力的設計要求。（4）具有較強的靈活性。短肢剪力墻在高層建筑結構布置上具有較強的靈活性，使得在進行樓蓋支撐時，減少了結構上的復雜度，保證工期按時間節點完成。（5）轉換層容易程度。在進行高層結構整體設計時，如果出現要求下部樓層為大空間結構時，與普通的剪力墻相比，短肢剪力墻更容易利用轉換層來連接上下結構之間的關系。（6）使高層建筑物重量減輕。與傳統的剪力墻相比，短肢剪力墻使高層建筑物整體重量得到大大地減輕，這樣使在進行施工時，可以較少施工周期和更利于施工，還可以較少工程成本。

2 短肢剪力墻的受力特點及計算方法

短肢剪力墻在高層建筑當中，可以看成是一種懸臂結構，其受力分布主要與其幾何尺寸和結構有關，其開洞的大小、形狀、位置等有直接關系，最主要的影響因素是其開洞大小。通常上用ρ來表示孔洞的大小情況，ρ在建筑工程中定義為墻面洞口面積除以墻面不計洞口的總面積。對于不同的開孔孔洞，其ρ大小不同，主要的孔洞結構有：（1）整截面墻。對于整截面墻老說，墻體開洞太小（ρ﹤15%），于此同時，洞口之間的距離與孔洞最外邊的長度要大時，其截面結構受力特點滿足材料力學的計算方法，可以使用平面假定的基本原則，變形具有彎曲性。（2）整體小開口墻。當洞口較大時（ρ介于15%到30%之間），采用平面假定計算得到的應力和變形時，需要對得到的應力結果進行修正，最終使得變形為彎曲形。（3）聯肢剪力墻。 當洞口面積過大時（ρ介于30%到50%之間），利用平面假定時，得到的結果與實際情況偏差太多，這時平面假定就不適用了，這就必須用墻肢的微分方程，才能得到滿足實際情況的結果，結構的變形從彎曲型變成剪切型。（4）壁式框架。當洞口尺寸很大時（ρ﹥50%），可以按照連肢剪力墻進行計算，但是其受力的基本情況已經更近似于框架結構了。只是框架梁和框架柱都比較寬而已，因此在梁與柱交界處會形成不產生彈性變形的剛域，這樣梁的端部及柱的端部就會形成一定范圍的剛域，通常來講被叫做壁式框架，它的受力變形所形成的曲線已經很接近剪切型。

短肢剪力墻的受力計算方法主要有以下幾個方面：（1）平面假定。短肢剪力墻在空間結構時，其受力狀態屬于空間體系。為了計算短肢剪力墻在承受側向力產生的應力和變形，在不影響其計算誤差的前提下，可以對短肢剪力墻進行合適的假設，其假設主要有樓板平面內的剛度遠遠要大于平面之外，并且平面外剛度可以忽略不計，以及各短肢剪力墻也是平面內絕對剛性。（2）平面協同剛度分析。短肢剪力墻結構位移和應力進行計算時，對不同的截面形狀要進行分析計算，存在整截面墻、聯肢墻等時，需要按照具體情況進行協同計算，得到符合實際情況的結果。

3 短肢剪力墻結構抗震設計

在高層建筑中，結構的抗震性非常重要，影響著居住著的人生安全。短肢剪力墻在抗震等級的要求下，有如下的一些規定：

（1）墻厚規定。根據不同的抗震等級，其結構厚度不一樣。當抗震等級為一級和二級時，短肢剪力墻的底部加強部位厚度有相應地規定，必須大于200mm。對于一字型單獨設置的短肢剪力墻，其底部的厚度必須大于220mm；對于抗震等級為三級和四級時，則短肢剪力墻截面厚度必須大于180mm；在對于沒有抗震等級設定時，墻體的截面厚度也必須大于160mm。

（2）短肢剪力墻在抗震等級為一級時，其軸壓比必須小于等于0.45；抗震等級為二級時，其軸壓比必須小于等于0.50；而對于一字型結構的短肢剪力墻，其軸壓比更為嚴格，在前述相應地基礎上減去0.1，這樣才能保證結構的完整性，能抵抗一定的變形。

（3）對短肢剪力墻進行抗震設計時，應該充分地考慮到其結構幾何特點，對其薄弱地方的剪力要進行安全系數的提高進行設計，這樣才能保證整體結構的完整性，保證整體結構的剛度。如果抗震設計等級為一，剪力設計值需要乘以系數1.4；如果抗震設計等級為二，剪力設計值需要乘以系數1.2；如果抗震等級為三，剪力設計值需要乘以系數1.1。

（4）短肢剪力墻進行抗震設計時，在進行鋼筋用量設計時，要考慮短肢剪力墻底部作為薄弱部分，要盡量使鋼筋的分布更加合理。抗震設計等級為一、二級時，配筋率應大于等于1.2%；抗震等級為三、四級時，配筋率應大于等于1.0%；對于短肢剪力墻的其他部位，抗震等級為一、二級時，配筋率應大于等于1.0%；抗震等級為三、四級時，配筋率應大于等于0.8%。

4 高層建筑中短肢剪力墻配筋方式

在高層建筑中，短肢剪力墻必須嚴格按照標準進行合理地配筋，在建筑結構的底部必須進行部位加強，短肢剪力墻的縱向配筋率必須大于等于1.2%，其他部位應大于等于1.0%。如果短肢剪力墻的數量并不多，軸壓比小，墻肢高厚比大，抗震等級低，所在位置也不在角部等情況，應根據實際情況進行抗震設計。抗震等級要求高的，應嚴格進行要求，抗震等級較低，則可以從寬處理。剪力墻高厚比為3～4的墻肢，因為墻肢的抗側剛度小，會比較容易形成剪跨比比2小的“短柱”或剪跨比更小的“超短柱”，造成剪切破壞，因其相對比較差的抗震性能，在結構設計過程中應盡可能避免采用。假如很難避免，就以短肢剪力墻的措施為參照進行設計。剪力墻筒體中對高厚比為 4～8 的墻肢，或者剛度比較大的，也不需要遵循短肢剪力墻的鋼筋設置方法進行配筋，可以根據一般的剪力墻進行配筋上的適當調整。

5 結束語

總之，在高層建筑中，有效地利用短肢剪力墻結構，可以使建筑結構在滿足設計要求的前提下，給設計師提供了更加廣闊的設計空間，于此同時節約了實際成本，提高結構設計工作效率，其建筑的結構也更能符合國家在對建筑材料環保方面的要求，增強建筑的社會和經濟效益。，有助于推動城市的經濟平穩快速發展。

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