淺談解決剪力墻結(jié)構(gòu)在軟件教學(xué)應(yīng)用中出現(xiàn)的若干問題

摘要：通過應(yīng)用PKPM軟件對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模、參數(shù)設(shè)置、內(nèi)力位移計(jì)算，再結(jié)合相應(yīng)規(guī)范對(duì)一些較難理解的知識(shí)點(diǎn)深入分析，加強(qiáng)學(xué)生熟練應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的同時(shí)，更注重培養(yǎng)他們具備發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：PKPM軟件; 剪力墻結(jié)構(gòu); 規(guī)范

中國分類號(hào)：G642.0A

［定稿日期］2022-04-06

［作者簡介］郭培成（1978—），男，碩士，副教授，主要從事土木工程專業(yè)的教學(xué)與研究工作。

1 PKPM軟件介紹

PKPM是三維空間設(shè)計(jì)軟件，從20世紀(jì)90年代至今不斷積累、不斷完善，可以有效協(xié)助結(jié)構(gòu)工程師完成框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等體系的建模運(yùn)算，大大減少了計(jì)算的工作量有效提高了設(shè)計(jì)行業(yè)的效率。在分析處理模型過程中，能夠真實(shí)地反應(yīng)實(shí)體建筑物的受力及變性特征，得到了行業(yè)人員廣泛的認(rèn)可。包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、煙囪設(shè)計(jì)、高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、無梁樓蓋設(shè)計(jì)、異性板樓板設(shè)計(jì)、樓梯設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、大跨度設(shè)計(jì)等模塊［1］，滿足設(shè)計(jì)領(lǐng)域的各個(gè)方面。軟件與JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》、GB 50011-2010 （2016年版）《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50010-2010（2015年版）《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范2012》、GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》緊密結(jié)合，在學(xué)習(xí)過程中，不僅熟悉了軟件的操作及應(yīng)用，而且也加深了對(duì)專業(yè)課程的鞏固和掌握。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻也成為抗震墻，由實(shí)心鋼筋混凝土組成。剪力墻結(jié)構(gòu)是指由鋼筋混凝土承受水平力與豎向力，不考慮內(nèi)部框架梁與連梁的貢獻(xiàn)。框架梁是指兩端與剪力墻平面內(nèi)連接，且梁的計(jì)算跨度與截面高度之比大于5，以單跨為主，主要內(nèi)力特征剪力較小、彎矩較大；連梁是指兩端與剪力墻平面內(nèi)連接，且梁的計(jì)算跨度與截面高度之比小于5，均為單跨梁，主要內(nèi)力特征剪力較大、彎矩較小。剪力墻墻體豎向樓面活荷載進(jìn)行折減參照規(guī)范［2］。

2.1 長肢剪力墻、短肢剪力墻判斷

長肢剪力墻是指肢長與肢厚之比大于8，也成為普通剪力墻或剪力墻，在工程設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用較多，受力與變形特征較好；短肢剪力墻是指肢長與肢厚之比大于5且小于8，延性耗能較差，應(yīng)用范圍受限。剪力墻結(jié)構(gòu)中可以適當(dāng)布置少量短肢墻，但短肢墻部分承擔(dān)的底部地震傾覆力矩不宜大于50%，為了工程的安全及經(jīng)濟(jì)效果，同時(shí)結(jié)合大量工程經(jīng)驗(yàn)參考，一般控制在30%以內(nèi)；同樣短肢剪力墻結(jié)構(gòu)也容許長肢剪力墻的出現(xiàn)，較多的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是指承擔(dān)底部地震傾覆力矩大于30%且小于50%。長肢剪力墻、短肢剪力墻與長肢剪力墻結(jié)構(gòu)、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)區(qū)別，前者是構(gòu)件或單體，后者是結(jié)構(gòu)體系屬于整體，這點(diǎn)學(xué)生有時(shí)理解會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

2.2 剪力墻截面形式

剪力墻截面包括一字形、L形、T形、十字形等，考慮到剪力墻在平面內(nèi)、平面外剛度的懸殊差異，一般常用的截面L 形和T形。由于剪力墻結(jié)構(gòu)布置不如框架結(jié)構(gòu)靈活，有時(shí)會(huì)影響到建筑功能，在設(shè)計(jì)過程中盡量避免墻肢太長。剪力墻布置的間距不宜太大，在2個(gè)主軸都應(yīng)設(shè)置，盡量在不影響使用狀態(tài)下，使墻肢均在同一水平線上，這樣有利于整體剛度變大，側(cè)向位移減小，降低整體房屋的造價(jià)。

2.3 剪力墻結(jié)構(gòu)的最大適用高度

剪力墻結(jié)構(gòu)的最大適用高度與設(shè)防烈度、風(fēng)荷載、風(fēng)向、層高等因素有關(guān)，一般6（0.05g）、7（0.10g 、0.15g）、8（0.20g、0.30g）、9（0.40g）度設(shè)防區(qū)，可以達(dá)到的經(jīng)濟(jì)適用高度分別為140 m、120 m、100 m（0.30g為80 m）、60 m，設(shè)防烈度區(qū)越大地震作用越顯著，房屋適用高度就隨之越低。剪力墻結(jié)構(gòu)整體剛度遠(yuǎn)大于框架結(jié)構(gòu)，在高層住宅領(lǐng)域得到了廣泛的使用。剛度與構(gòu)件尺寸及混凝土標(biāo)號(hào)有關(guān)，混凝土標(biāo)號(hào)越大彈性模量越大［3］。

3 如何解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題

剪力墻結(jié)構(gòu)較框架結(jié)構(gòu)理解起來難度會(huì)增大，概念多且抽象，計(jì)算公式復(fù)雜，這也導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)與PKPM軟件時(shí)困惑較多，下面針對(duì)教學(xué)過程中不容易理解的概念進(jìn)行分析。

3.1 如何選擇剪力墻厚度、截面形式

一、二級(jí)剪力墻底部加強(qiáng)部位不應(yīng)小于200 mm，其他部位不應(yīng)小于160 mm； 三、四級(jí)剪力墻不應(yīng)小于160 mm［4］。高貴規(guī)定。抗震墻的厚度，一、二級(jí)不應(yīng)小于160 mm且不宜小于層高或無支長度的1／20，三、四級(jí)不應(yīng)小于140 mm［5］。在工程上一般剪力墻厚度選擇250 mm、200 mm居多，層數(shù)較多的建筑物可能下部分位置需要300 mm。考慮到填充墻厚度與梁寬相同，剪力墻厚度過小梁中縱向受力鋼筋布置比較困難，因此承重墻體厚度不宜太小。實(shí)際工程中如果剪力墻間距不大，梁跨度較小，剪力墻厚度可以適當(dāng)降低。剪力墻截面形式有L形、T形，一字形和十字形，為了最大程度發(fā)揮剪力墻的剛度與強(qiáng)度及經(jīng)濟(jì)效果，截面形式通常采用L形、T形，一字形和十字形剪力墻在工程上使用較少。L形、T形不是滿足形狀要求即可，而是2個(gè)方向長厚比分別大于8與3，不滿足判定的標(biāo)準(zhǔn)則屬于一字形剪力墻，穩(wěn)定性相對(duì)較差，須改變長厚比使其滿足判定要求。剪力墻在同一位置從下至上長度不改變，厚度與混凝土標(biāo)號(hào)可以依次減小，考慮到作用力的減小以及經(jīng)濟(jì)效果，下部墻肢滿足長肢墻構(gòu)造要求即可，否則不僅增加浪費(fèi)，還可能造成局部剛度不均勻。

3.2 部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)

由于為了滿足建筑功能的需要，底部需要較大空間，將底部若干片剪力墻刪除，采用框支柱KZZ代替，稱之為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)屬于復(fù)雜建筑物，在設(shè)計(jì)過程中通過結(jié)構(gòu)措施來改善底部的剛度，如控制落地剪力墻的間距、適當(dāng)增加落地剪力墻的厚度與混凝土等級(jí)、加強(qiáng)轉(zhuǎn)化層樓板厚度及配筋率等。該建筑物多用在底部是商場、酒店，上部為普通住宅樓，從上世紀(jì)90年代至今，得到了廣泛地應(yīng)用，我國在這方面也積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。一般在工程上轉(zhuǎn)化層的樓層數(shù)越少越好，尤其在地震設(shè)防烈度較高的區(qū)域應(yīng)嚴(yán)格控制。但隨著減震隔震技術(shù)的成熟應(yīng)用，大大降低了地震作用，部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)通過采用該技術(shù)可以適當(dāng)增加轉(zhuǎn)化層數(shù)或在高烈度區(qū)域使用。

3.3 底部加強(qiáng)度區(qū)高度的判定

底部加強(qiáng)部位的高度，應(yīng)從地下室頂板算起；底部加強(qiáng)部位的高度可取底部2層和墻體總高度1／10的兩者的較大值。底部加強(qiáng)部位的設(shè)置，主要考慮到底部受力較大及推遲塑性鉸出現(xiàn)的時(shí)間，在具體設(shè)計(jì)過程中應(yīng)將約束邊緣構(gòu)件向上延伸一層。在結(jié)構(gòu)模型中，該部分的墻厚度或配筋率高于相鄰層。

3.4 約束邊緣構(gòu)件與構(gòu)造邊緣構(gòu)件判定

一級(jí)剪力墻底層墻肢底截面的軸壓比大于0.1（9度設(shè)防）、0.2（6、7、8度設(shè)防），二、三級(jí)剪力墻底層墻肢底截面的軸壓比0.3時(shí)，應(yīng)在底部加強(qiáng)部位及相鄰的上一層設(shè)置約束邊緣構(gòu)件；其它部位設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件。軸壓比未超出相應(yīng)的規(guī)定，任何部位設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件即可。剪力墻的約束邊緣構(gòu)件可為暗柱、端柱和翼墻，約束邊緣構(gòu)件沿墻肢的長度、箍筋配箍特征值、體積配箍率，應(yīng)符合縣官計(jì)算和構(gòu)造規(guī)要求，具體參照J(rèn)GJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》表7.2.15、GB 50011-2010（2016年版）《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》表6.4.5-3。軸壓比計(jì)算過程中注意僅僅考慮豎向力作用下，即重力荷載代表值作用下不包括水平地震作用，這一點(diǎn)學(xué)生在理解的時(shí)候會(huì)有些困惑。在確定約束邊緣構(gòu)件或構(gòu)造便于構(gòu)件時(shí)，學(xué)生常常會(huì)混淆，因此熟悉規(guī)范至關(guān)重要。

3.5 連梁出現(xiàn)超筋如何解決

連梁剛度大、剪力較大且彎矩較小，為了實(shí)現(xiàn)延性破壞，通過強(qiáng)剪弱彎來改善其脆性特征。在設(shè)計(jì)中分為2種方式形成連梁：一是在剪力墻上開設(shè)洞口形成，二是在兩端墻上直接布置連梁，前者剛度較大。在設(shè)計(jì)中抗剪不滿足要求時(shí)一般通過以下方式進(jìn)行解決：在滿足整體剛度的情況下適當(dāng)減小連梁截面高度，增加跨高比降低剛度，從而減小其分擔(dān)的剪力；當(dāng)連梁破壞對(duì)承受豎向荷載無明顯影響時(shí)，可按獨(dú)立墻肢進(jìn)行第二次多遇地震作用下的內(nèi)力分析，墻肢截面應(yīng)按兩次計(jì)算的較大值計(jì)算配筋［4］；適當(dāng)減小連梁的彎矩塑性調(diào)幅系數(shù)；條件允許的話可以適當(dāng)增加連梁混凝土比標(biāo)號(hào)；設(shè)置雙層連梁即寬度不變，將原高度分成2段高度分別進(jìn)行布置。連梁在地震作用下會(huì)先于剪力墻發(fā)生破壞，消耗地震能量，從而減小剪力墻發(fā)生的概率或降低其破壞帶來的危害。

3.6 墻身水平和豎向鋼筋的選擇

墻身水平和豎向鋼筋分別承受剪力與彎矩的作用，由于剪力墻本身的剛度和承載力較大，其內(nèi)部鋼筋除了滿足基本的承受外力作用，還有改善其延性的效果。水平和豎向分布鋼筋的間距均不宜大于300 mm，直徑不應(yīng)小于8 mm且不宜大于墻厚的1/10，一、二、三級(jí)時(shí)均不應(yīng)小于0.25％［5］。例如抗震等級(jí)二級(jí)，250 mm厚的剪力墻，水平和豎向鋼筋要滿足PKPM計(jì)算和構(gòu)造兩者的較大值。計(jì)算結(jié)果墻身水平鋼筋H1.1，表示水平2根鋼筋面積和為110 mm2，直徑初步選定2根8 mm鋼筋；對(duì)構(gòu)造計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)算分析，取水平鋼筋直徑8 mm，鋼筋面積50.3 mm2，面積為100.6 mm2；鋼筋間距200 mm，墻厚度250 mm ，面積50 000 mm2，結(jié)果為0.2012%，不滿足0.25%的要求，故最終確定鋼筋為10 mm，要同時(shí)滿足計(jì)算和構(gòu)造2個(gè)要求，可以通過繼續(xù)減小鋼筋間距或增加直徑來處理。水平鋼筋放在外邊，豎向鋼筋放在內(nèi)側(cè)。剪力墻墻身水平和豎向鋼筋結(jié)合計(jì)算和構(gòu)造進(jìn)行配置，在大多數(shù)工程計(jì)算結(jié)果的分析中可以發(fā)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果較大一般發(fā)生在底部幾層或墻厚度發(fā)生改變時(shí)，由于豎向重力荷載代表值從下至上依次減小，對(duì)于其它層一般計(jì)算值與構(gòu)造比較接近。

3.7 剪力墻結(jié)構(gòu)位移

剪力墻結(jié)構(gòu)同其它結(jié)構(gòu)體系一樣，隨房屋高度越高頂部水平位移越大，位移控制仍是設(shè)計(jì)中最主要的一部分，框架結(jié)構(gòu)通過改變框架柱、框架梁截面尺寸來處理位移的問題。剪力墻結(jié)構(gòu)在處理位移角較大時(shí)需要從以下幾方面進(jìn)行：位移角超出規(guī)范限值1/1000［4］，但比較接近時(shí)可以通過改變連梁、框架梁截面高度最有效，不宜將墻肢加長；位移角超出規(guī)范限值

較多時(shí)，整體結(jié)構(gòu)剛度偏小，宜加長短邊邊緣方向墻肢長度，從外向內(nèi)依次改變。剪力墻結(jié)構(gòu)位移角最大發(fā)生在四周短邊方向，大多數(shù)工程一般控制在1/1100～1/1050左右。

4 結(jié)束語

首先，在學(xué)習(xí)過程中認(rèn)真閱讀JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》、GB 50011-2010（2016年版）《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)結(jié)構(gòu)概念要清晰，掌握基本的構(gòu)造要求；其次，熟悉建筑圖紙，學(xué)會(huì)剪力墻的布置原則，特別是2個(gè)主軸方向的剛度盡量接近，避免剛度相差較大引起扭轉(zhuǎn)［5］；最后，對(duì)于框架梁、連梁出現(xiàn)問題要清楚判斷其原因，找出最有效的方法進(jìn)行解決。

參考文獻(xiàn)

［1］ 張宇鑫， 劉海成， 張星源.PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用［M］.2版.上海： 同濟(jì)大學(xué)出版社，2010.

［2］ 中華人民社共和國國家標(biāo)準(zhǔn) .建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范： GB 5009—2012［S］.中國建筑工業(yè)出版社.

［3］ 中華人民社共和國國家標(biāo)準(zhǔn).混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范： GB50011—2010［S］.北京： 中國建筑工業(yè)出版社.

［4］ 中華人民社共和國國家標(biāo)準(zhǔn).高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程： JGJ3-2010［S］. 北京：中國建筑工業(yè)出版社.

［5］ 中華人民社共和國國家標(biāo)準(zhǔn).建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范： GB50011—2010［S］. 北京：中國建筑工業(yè)出版社.