高层混凝土建筑短、长肢剪力墙结构设计技术问题的探讨

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　　摘要：在高层混凝土结构的房屋设计中，一些设计人员为了达到建设方限制钢筋用量的目的，经常采用具有较多短肢剪力墙的结构，却没有严格按照现行规范的要求采取相应的抗震加强措施，还有一些设计人员为了满足大空间功能的需要，用超长剪力墙布置在建筑专业允许的位置，以满足规范对层间位移比和位移角的要求。

　　关键词：剪力墙,结构,设计,探讨

　　一、短肢剪力墙、较多短肢剪力墙结构和超长肢剪力墙的定义

　　短肢剪力墙：《高层建筑混凝土结构技术规程》第7.1.8条的注释1中定义：“短肢剪力墙是指截面厚度不大300mm，各肢截面高度与厚度之比的最大值大于4但不大于8的剪力墙”。

　　较多短肢剪力墙结构：《高层建筑混凝土结构技术规程》第7.1.8条附注2规定：“具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构是指，在规定的水平地震作用下，短肢剪力墙承担的底部倾覆力矩不小于结构底部总地震倾覆力矩的30%的剪力墙结构”。

　　超长肢剪力墙：《高层建筑混凝土结构技术规程》在第7.1.2条中规定：“各墙段的高度与墙段长度之比不宜小于3，墙段长度不宜大于8m”。在《高层建筑混凝土结构技术规程》框架—剪力墙结构设计章节中第8.1.7条提出了“单片剪力墙底部承担的水平剪力不应超过结构底部总水平剪力的30%”。规范对超长肢剪力墙规定的目的，主要避免在一个结构单元中只有个别长墙肢，而多数为较小墙肢，在强烈地震作用下，长墙肢首先破坏，仅分担较小剪力的小墙肢各个破坏，不能达到结构弯曲破坏在先，剪切破坏在后的目的。因此，一般将不满足上述要求的长墙称为超长肢剪力墙。

　　二、采用“较多短肢剪力墙结构”高层建筑的相关规定

　　在《高层建筑混凝土结构技术规程》中对较多短肢剪力墙结构，在构造上做出了来非常严格的要求，使其截面和配筋大幅度提高。规范中第7.1.8条及7.2.2条规定，高层建筑结构不应全部采用短肢剪力墙，当采用具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构时，应符合下列规定：

　　1其最大适用高度应比本规程表3.3.1-1中规定的剪力墙结构的最大适用高度适当降低，且7度和8度抗震设计时分别不应大于100m和80m;

　　2在规定的水平地震作用下，短肢剪力墙承担的底部倾覆力矩不宜大于结构总底部地震倾覆力矩的50%;

　　3抗震设计时，各层短肢剪力墙在重力荷载代表值作用下产生的轴力设计值的轴压比，抗震等级为一、二、三时分别不宜大于0.45、0.5和0.55;对于无翼缘或端柱的一字型剪力墙其轴压比限值相应降低0.1;

　　4抗震设计时，除底部加强部位应按本规程第7.2.6条调整剪力设计值外，其他各层短肢剪力墙的剪力设计值，一、二、三级抗震等级应分别乘以1.4、1.2和1.1;

　　5短肢剪力墙截面的全部纵向钢筋的配筋率，底部加强部位一、二级不宜小于1.2%，三、四级不宜小于1.0%;其他部位一、二级不宜小于不宜小于1.0%，三、四级不宜小于0.8%;

　　6短肢剪力墙截面厚度底部加强部位不应小于200mm，其他部位不应小于180mm;

　　7短肢剪力墙宜设置翼缘.一字形短肢剪力墙平面外不宜布置与之单侧相交的楼面梁。

　　由于短肢剪力墙抗震性能较差，地震区应用经验不多，为安全起见，规范中对这种结构的最大适用高度、使用范围、墙肢形状、厚度、轴压比、截面剪力设计值、纵向钢筋配筋率等做出了相应规定。规程要求短肢剪力墙承担的倾覆力矩不宜大于结构底部总倾覆力矩的50%，目的是在短肢剪力墙较多的剪力墙结构中，对短肢剪力墙的数量进行控制。限制轴压比，是为了防止短肢剪力墙承担过大的楼面荷载或房屋高度太大而引起楼板坍塌的危险。通过上述规定可以发现短肢剪力墙的构造要求较普通剪力墙提高了很多，因此大大地提高了结构含钢量。

　　对于不是“具有较多短肢剪力墙结构”的剪力墙结构，仍需按照《高层建筑混凝土结构技术规程》第7.2.2条的规定对部分短肢剪力墙采取加强措施，提高其抗震性能。

　　在结构设计中，我们经常遇到剪力墙由于开洞的需要，使洞口两侧的剪力墙肢长L1和L2均小于普通剪力墙长度的要求，如图一所示，该类剪力墙是否属于短肢剪力墙?在上图中，当剪力墙洞顶连梁跨高比L/h较小时(如小于5)，洞口对剪力墙刚度及其抗震性能的削弱也较少，其受力性能是一联肢墙，此时仍可认为其是普通剪力墙，而不以每个墙肢的长度判定其是否为短肢剪力墙。

　　当剪力墙洞顶连梁跨高比L/h较大时(如>5)，墙肢之间的共同作用效应较小，可以认为每个墙肢都是单独参加结构工作，需要根据单个墙肢的长度判定是不是属于短肢剪力墙。

　　三、超长肢剪力墙对抗震的不利影响

　　在高层建筑的抗震设计中，限制超长剪力墙的主要目的是为了使所有的结构构件达到弯曲破坏在先，剪切破坏在后。在地震作用下，此类超长肢剪力墙因刚度较大，它的破坏一般是剪切破坏在先，弯曲破坏在后。《高层建筑混凝土结构技术规程》第7.1.2条规定：“剪力墙不宜过长，较长剪力墙段宜设置跨高比较大的连梁将其分成长度均匀的若干墙段，各墙段的高度与墙段长度之比不宜小于3，墙段长度不宜大于8m”。在规范的条文说明中做出来解释：“剪力墙结构应具有延性，细高的剪力墙(高宽比大于3)容易设计成具有延性的弯曲破坏剪力墙。当墙的长度很长时，可通过开设洞口将长墙分成长度较小墙段，使每个墙段成为高宽比大于3的独立墙肢或联肢墙，分段宜较均匀。用以分割墙段的洞口上可设置约束弯矩较小的弱连梁(其跨高比宜大于6)。此外，当墙段长度很长时，受弯后产生的裂缝宽度会较大，墙体配筋容易拉断，因此墙段长度(即墙段截面高度)不宜大于8m。”从结构体系上来说，较长的剪力墙也会给结构带来不利的影响，剪力墙长度很长时，单片墙的刚度很大，该墙在结构总刚度中占有的比例也很大，结构计算时，大部分地震剪力都由该墙承受，其他墙柱分配到的地震剪力很小，在罕遇地震作用下，单片墙的刚度在开裂后会急剧下降，而此时其他构件不满足第二道防线抗侧力的要求，会使结构产生严重的破坏甚至倒塌。

　　为对比开洞前后结构刚度的变化，选用已经设计完成的一个26层的框架核心筒结构进行分析，通过对比核心筒长肢墙开洞前后计算结果的变化说明开洞对结构刚度的影响。该结构标准层平面如图二所示，结构平面尺寸为34.8x34.8m，中心核心筒尺寸为15x15m，核心筒竖向外侧两片剪力墙为15m长的连续墙，分别按照长肢墙不开洞和开洞进行计算分析，计算对比结果如表一所示。