短肢剪力墻在高層結構設計中的應用

張東東

摘 要：在高層結構中，短肢剪力墻是常用的一種形式，因此在工程中應采取措施確保短肢剪力墻的安全。本文筆者將結合具體的小區高層住宅的結構設計，簡要探討短肢剪力墻在在高層住宅結構設計中的應用，主要分析了結構選型、結構布置等，希望能對類似工程起到借鑒作用。

關鍵詞：短肢剪力墻 高層結構設計 結構選型 結構布置

中圖分類號：TU398 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（a）-0069-02

本工程為某市一住宅小區高層住宅建筑工程。本工程建筑面積為876 m2，建筑總高度為36.95 m，建筑的長度為24.97 m，寬度為14.3 m。本工程一共有11層，局部存在你12層。其中1層到11層的層高均相同，為2.9 m，而12層的層高則為2.7m。本工程采用的是短肢剪力墻結構體系，樓板采用現澆鋼筋混凝土肋形樓蓋，而墻、柱、梁均采用混凝土澆筑的方式。本工程抗震設防烈度為7度。

1 主體結構設計

1.1 結構選型

根據業主的要求，本工程在房間內是不允許露出柱和梁等結構構件。因此本工程可供選擇的結構方案有兩種，分別為斷肢剪力墻結構和異形柱框架結構。如果采用異性框架柱的話，對于肢高和肢厚以及柱高和柱截面長邊尺寸都有一定的規范限制，這在一定程度上限制了截面尺寸。結果計算分析，采用異形框架柱結構方案，會出現柱的軸壓比超限的問題，同時其高度限制為35 m，小于本工程的建筑高度36.95 m，因此，本工程不適宜采用異性框架柱結構方案。而對于短肢剪力墻結構方案，經過對軸壓比、側移以及扭轉等進行計算，均能滿足要求，同時也符合高度限值的要求，因此本工程最終決定采用短肢剪力墻結構方案。

1.2 結構布置

根據本工程的具體特點，在進行結構的布置時，應綜合考慮承載力、結構變形、扭轉以及軸壓比等多方面指標的要求，在滿足這種指標的基礎上，本工程進行結構布置主要采取的措施如下。

（1）根據相關的規范規定，高層剪力墻結構不應全部采用短肢剪力墻。因此，本工程在樓梯間處布置有剪力墻，并與電梯間結合在一起，從而形成短肢剪力墻—筒體結構，而在結構的其他地方，則采用小開間布置剪力墻的方式，沿著內外墻的交接處布置短肢剪力墻。通常情況下，應將短肢剪力墻設計成T形或者L形，這種形式可以有效的提高其側向剛度。

（2）水平抗側力結構的布置是一個重要方面，合理的抗側力結構能夠有效的減少結構的扭轉，因此在進行水平抗側力結構的布置時，應盡量確保均勻和對稱。在進行剪力墻的布置時，為了更好的進行分析，可以采用SATWE程序進行跟蹤計算，通過軟件分析結果可以對剪力墻的布置效果有個很好的認識，從而對剪力墻的布置能夠盡量確保結構的質量中心和剛度中心的重合。根據相關的規定可以知道，A級高度高層結構在進行抗震設計時考慮偶然偏心影響的話，樓層豎向構件的最大水平位移和層間位移應控制在該樓層平均值的1.2倍以內，本工程經過分析將該控制值取為1.06倍。如表1所示為一層樓面的質量中心和剛度中心的坐標值。

（3）剪力墻的軸壓比應滿足規范的要求。本工程為二級抗震等級，按12 kN/m2進行估算。根據相關的規范規定，短肢剪力墻的軸壓比不得超過0.6，而一字型短肢剪力墻的軸壓比不得超過0.5。墻肢的長度應為厚度的5～8倍，同時在進行布置時還應考慮門窗洞口的要求。本工程剪力墻厚度分別取為：外墻250 mm，內墻200 mm，而地下部分厚度取為100 mm。

（4）在結構豎向應確保剛度的連續。4層以下的混凝土等級為C40，5到8層的混凝土等級為C35，而9層以上的混凝等級為C30，梁、板的混凝土等級為C25。沿著豎向方向剪力墻的截面尺寸均不發生變化。

（5）在結構的布置時，應盡量提高結構的整體性。本工程的樓屋蓋均采用現澆的方式。

（6）梁截面寬度的布置分別為：內墻為200 mm，而外墻為250 mm。梁高初步按凈空的1/10進行確定。

在本工程結構設計中，剪力墻數量的確定是一個非常重要的方面。如果剪力墻布置的過少的話，會導致側向剛度偏低，從而引起側移大的問題；而剪力墻布置過多的話，地震作用大，這又不經濟。通常在進行框架—剪力墻結構的設計時，對于剪力墻的布置可以通過壁率、平均壓力等指標對其數量的確定進行控制。壁率反映的是墻厚的因素，而平均壓力反映的是層數、重量以及結構截面積的因素。與地震力有關的因素包括建筑的質量和公安段，因此在進行壁率指標的技術時應考慮建筑高度的因素。同時采用這兩個指標進行剪力墻數量的確定時，還可以適當的參考實際工程中的剪力墻數量。如表2所示為本工程剪力墻的布置情況。

1.3 主要分析結果

在進行高層建筑結構的計算分析時，主要采用的軟件為SATWE有限元分析軟件，它可用來進行空間組合結構的分析，同時也可進行各種復雜體型的高層鋼筋混凝土結構體系的計算。在SATWE程序分析中 ，是以殼元理論為基礎的，剪力墻的模擬采用的是超單元墻元，這種單元同時具備平面內和平面外的剛度，因此可以較好的模擬剪力墻的受力狀態。同時超單元墻元在每個節點上都具有6個自由度，因此在進行軟件模擬時可以很好的與空間梁祝柱單元進行連接，并且不需要添加其他附加約束。采用SATWE程度對本工程的結構進行分析，采用超單元墻元模擬短肢剪力墻，而采用連梁模擬短肢剪力墻之間的梁。如圖1所示為本工程建筑結構在風荷載和地震荷載作用下的位移圖。

如圖1中可以清楚的看到，在風荷載和地震荷載的作用下，結構所產生的位移變形類似于框架—剪力墻結構的彎剪變形。通過如前所示各種剪力墻相關指標的確定，短肢剪力墻的布置能夠較好的滿足結構位移的要求。

2 與異形框架結構的比較

在同一小區內，其中某棟采用的結構形式為異形框架結構，將之與本工程的短肢剪力墻結構進行對比。通過計算結果的比較可以知道短肢剪力墻結構具有側向位移小、剛度大的特點。以下將對兩者的用鋼量、混凝土用量以及模板用量進行對比：

（1）用鋼量。短肢剪力墻的墻柱的用鋼量為35.5 kg/m2，而異形框架的墻柱用鋼量則為30.7 kg/m2，短肢剪力墻較為經濟；梁的用鋼量短肢剪力墻為3.13 kg/m2，而異形框架的則為18 kg/m2，短肢剪力墻大大少于異形框架。

（2）混凝土用量。短肢剪力墻的墻柱的混凝土用量為0.185 m3/m2，而異形框架的墻柱用鋼量則為0.081 m3/m2，短肢剪力墻稍微多0.1 m3/m2；梁的混凝土用量，短肢剪力墻為 0.023 m3/m2，而異形框架的則為0.045 m3/m2，短肢剪力墻比異形框架較少。

（3）模板用量。短肢剪力墻的墻柱的模板用量為1.52 m2/m2，而異形框架的墻柱用鋼量則為0.77 m2/m2，短肢剪力墻稍微多0.75 m3/m2；梁的模板用量，短肢剪力墻為 0.272 m2/m2，而異形框架的則為0.53 m3/m2，短肢剪力墻比異形框架較少。

因此經過綜合分析，短肢剪力墻結構在整體材料用量上比異形框架結構少，從而短肢剪力墻結構在經濟上更具優勢。

3 結語

短肢剪力墻是常用的一種形式，因此在工程中應采取措施確保短肢剪力墻的安全。文章通過介紹了常見高層建筑結構體系，結合某高層結構實例，通過針對短肢剪力墻受力特點等，分析了短肢剪力墻的結構布置，通過對其采取抗震性能分析，表明本高層所采取的短肢剪力墻布置具有可行性，可為同類工程結構布置提供另一種思路。

參考文獻

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