短肢剪力墙结构设计之应用浅谈

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　　摘要:下文介绍了短肢剪力墙结构设计的一般规定受力性能和设计方法，且对短肢剪力墙的结构抗震薄弱环节及概念设计作了简要分析。
　　关键词:剪力墙；受力结构计算；抗震；概念设计
　　1前言
　　现在随着经济的发展和生活水平的提高，人们对住宅平面与空间的要求也随之增高。如果使用框架结构，会因柱楞突出隔墙而妨碍美观，影响使用效果。如果用一般剪力墙结构，没有柱体外凸的缺点，但遇到底部有停车场等公共设施的情况下则矛盾很大，满足不了建筑的使用功能；而且对于房屋高度不太大的小高层建筑,采用剪力墙结构会造成刚度过大,重量增加,导致地震反应过强,使得上部结构和基础造价提高。对于小高层建筑,一般剪力墙结构体系也不是一种理想的设计方案。
　　为了避免上述缺陷,以一般剪力墙结构为基础,吸取框架结构的优点,使结构刚度调整到适宜,由此形成了一种结构体系———“短肢”剪力墙结构体系。短肢剪力墙结构是指墙肢截面高度为厚度5～8倍的剪力墙结构。和一般剪力墙相比，这种结构型式的优点在于:
　　⑴墙肢较短,布置灵活,可调整性大,容易满足建筑平面的要求。
　　⑵减少了剪力墙而代之以轻质砌体,结构自重相应减轻，从而减小结构整体刚度,增大振动周期,降低地震作用力。
　　⑶墙肢高宽比较大,延性较好,对抗震有利。
　　⑷连梁跨高比较大,以受弯破坏为主,地震作用下首先在弱连梁两端出现塑性铰,能起到很好的耗能作用。
　　⑸墙肢的承载力得到了较充分的发挥。
　　目前，《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3—2002已对短肢剪力墙结构的设计作出了规定。
　　2短肢剪力墙的受力性能与结构计算
　　2.1受力性能
　　短肢剪力墙结构是指墙肢截面高度为厚度5～8倍的剪力墙结构，剪力墙根据整体性系数α及墙肢延高度上弯矩的变化，可分为3类(见图1):

　　图1水平荷载作用下弯矩图
　　⑴满足α≥10,In/I≤z时,为整体小开口墙,它的整体性很强,墙肢不出现反弯点,变形以弯曲变形为主。
　　⑵满足α＜10时,In/I≤Z,为联肢墙,它的整体性不很强,墙肢不出现或很少出现反弯点,变形仍以弯曲变形为主。
　　⑶满足α≥10,但In/I＞Z时,结构的梁、柱刚度比大,整体性很强,墙肢大多出现反弯点,按壁式框架考虑。
　　其中，In=ΣAiri2；I=In+Ij；Ij=ΣIji
　　式中：
　　Ai为墙肢i的面积；
　　Iji为墙肢i截面的惯性矩；
　　ri为墙肢i的截面形心至组合截面形心的距离。
　　为使短肢剪力墙结构的墙肢受力性能和变形性能优于异形柱,尽量不把短肢剪力墙设计成壁式框架,考虑到短肢剪力墙小墙肢、大洞口的特点,不适合设计成整体小开口墙结构,所以,综合安全与经济因素,宜把短肢剪力墙结构设计为α<10,In/I≤Z的联肢墙。
　　2.2结构设计
　　短肢剪力墙结构是适应建筑要求而形成的特殊剪力墙结构。其计算模型、配筋方式和构造要求均同于普通剪力墙结构。在TAT、TBSA中,只需按剪刀墙输入即可,而且TAT、TBSA更适合用来计算短肢剪力墙结构TAT、TBSA所用的计算模型都是杆件、薄壁杆件模型,其中梁、柱为普通空间杆件,每端有6个自由度,墙视为薄壁杆件,每端有7个自由度,考虑了墙单元非平面变形的影响,按矩阵位移法由单元刚度矩阵形成总刚度矩阵,引入楼板平面内刚度无限大假定减少部分未知量之后求解,它适用于各种平面布置,未知量少,精度较高。但是,薄壁杆件模型在分析剪力墙较为低宽、结构布置复杂时,也存在一些不足,主要是薄壁杆件理论没有考虑剪切变形的影响,当结构布置复杂时变形不协调。而短肢剪力墙结构由于肢长较短,本身较高细,更接近于杆件性能,所以,用TAT、TBSA计算短肢剪力墙结构能较好地反映结构的受力,精度较高。
　　3结构布置及特点
　　短肢剪力墙属于剪力墙的一种,所谓“短肢”剪力墙,即指墙肢截面高度与厚度之比为5～8的剪力墙，小墙肢剪力墙的布置,通常结合窗间墙位置及房间四角等布置成“一”字形“L”形、“T”形或“十”字形墙段,沿结构平面均匀布置,尽量做到对齐、拉直,使结构的刚心和质心结合,减少其扭转。短肢剪力墙的抗侧刚度相对较小,所以,经常在楼、电梯周围布置普通剪力墙,形成筒体和短肢剪力墙共同抵抗侧力,在抗震设计中,筒体和一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构底部地震倾覆力矩的50%。也可以通过增加长肢墙的方法调整刚度中心位置,短肢剪力墙的抗震薄弱部位是建筑平面外边缘角部处的墙肢,当有扭转作用时,会加剧墙肢的变形,使角部墙肢首先开裂,所以,设计时应采取必要的措施,如减小轴压比,增大纵筋和箍筋的配筋率等,以保证结构的安全性、实用性。而对由于较大的竖向荷载和剪力使底部外围墙肢产生开裂,也应通过增加墙厚和配筋量等方法防止。
　　4内部构造要求
　　短肢剪力墙结构的截面设计及构造措施,应遵循《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)中有关章节的规定进行设计。剪力墙截面的设计,应通过正截面偏心受压、偏心受拉的计算,在满足最小筋率要求的前提下,确定墙肢端部的受力钢筋,即约束边缘构件或构造边缘构件的纵筋,由斜截面抗剪计算出墙肢腹板水平分布钢筋。
　　在抗震设计的双肢剪力墙中,墙肢不宜出现小偏心受拉,如果双肢剪力墙中一个墙肢出现小偏心受拉,该墙肢会出现水平通缝而失去抗剪能力,且由荷载产生的剪力将全部转移到另一个墙肢而导致其抗剪承载力不足,因此,应当避免墙肢出现小偏心受拉。在一个墙肢出现大偏心受拉时,因水平裂缝较大,它承受的部分剪力也会向另一墙肢转移,这时可将另一墙肢的剪力及弯矩设计值乘以增大系数1.25,以提高其抗剪承载力。
　　墙体除了受弯、受剪计算外,在集中荷载作用下,还应进行局部受压承载力计算。如图2所示,在实际的设计工作中,除了常规的设计方法外,也可以不设置端部暗柱,受力钢筋仍然置于墙肢的端部,腹板竖向分布钢筋按设计配筋率均匀放置,将水平分布钢筋做成封闭箍筋,类似于异形柱配筋的形式,可降低施工难度,配置环形封闭水平筋并配置水平拉筋后,可增加对混凝土的约束,有利于提高混凝土墙肢的延性　　
　　图2短肢剪力墙配筋示意图
　　剪力墙的连梁应进行斜截面受剪和正截面受弯承载力计算。连梁的正截面配筋,按矩形截面构件计算,取上、下配筋的较大值,按对称配筋置于梁截面上、下部位。按斜截面抗剪计算所得的箍筋沿全跨加密设置.对于个别连梁,因其跨度小,刚度很大,地震作用下允许连梁局部开裂,可将连梁的刚度予以折减,抗震设计的剪力墙的连梁弯矩及剪力也可进行塑性调幅,以降低其剪力设计值。若在内力计算时已经折减连梁的刚度,则调幅的范围应当受到限制或不再进行调幅,以避免在使用状况下连梁中裂缝开展过早、过大。当部分连梁降低弯矩设计值后,其余部位连梁和墙肢的弯矩设计值应相应提高。
　　5短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节及概念设计
　　短肢剪力墙结构是介于框架-剪力墙结构和一般剪力墙结构之间的一种结构形式，其抗震薄弱环节是建筑平面外边缘及角点处的墙肢、“一字形”短肢剪力墙及连梁。当有扭转效应时,建筑平面外边缘及角点处的墙肢会首先开裂；在地震作用下,高层短肢剪力墙结构将以整体弯曲变形为主,短肢剪力墙因截面面积小且承受较大的竖向荷载,破坏严重,尤其“一字形”小墙肢破坏最严重。在短肢剪力墙结构中,由于墙肢刚度相对减小,连接短肢剪力墙间的连梁已类似普通框架梁，其受剪破坏的可能性增加。因此,在短肢剪力墙结构设计中,对这些薄弱环节,应加强概念设计和抗震构造措施。例如,短肢剪力墙在平面上分布要力求均匀,必要时可用一般剪力墙来调整刚度中心，使刚度中心尽量接近建筑物质心,以减小扭转效应。由于短肢剪力墙的抗侧移刚度相对较小，故设计时应尽量利用电梯、楼梯间来形成一个核心筒，确保结构有足够的刚度，共同抵抗水平力。
　　核心筒作为主要抗侧力构件时，设计中应保证核心筒与其外围结构的连接区域可靠。短肢剪力墙的最小截面厚度要满足规范要求的200mm，适当增加建筑平面外边缘及角点处的墙肢厚度及长度，严格控制短肢剪力墙截面的轴压比不超过规范要求,并加强短肢剪力墙（尤其是底部）的配筋，以提高墙肢的抗扭刚度、承载力和延性。
　　短肢剪力墙截面小，壁薄，平面外稳定性差，故宜在两个方向均有梁与之拉结,连梁宜布置在各肢的平面内,避免采用“一字形”墙肢，否则应采取加大配筋、减小轴压比、设置端柱等加强措施。高层结构中连梁是一个耗能构件,连梁的剪切破坏会使结构的延性降低,对抗震不利,故连梁设计中应按“强剪弱弯”的原则进行，如对跨高比≥5的连梁应按框架梁进行设计，以保证连梁的受弯屈服先于剪切破坏。
　　6结语
　　作为剪力墙结构体系的分支，短肢剪力墙结构由于结构布置方面的灵活性和可调整性，使其各项技术经济指标均较一般剪力墙结构理想，因而在小高层住宅楼结构设计中已被广泛采用。设计短肢剪力墙结构时，应区别于一般剪力墙结构，多结合住宅特点，使结构刚柔适中，并运用抗震概念设计的原则，采取有效的抗震措施，注重细部设计，从而做到结构设计安全、经济、适用。
　　参考文献：
　　[1]高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）[S]．
　　[2]建筑抗震设计规范(GB50011-2001)[S]．1北京:中国建筑工业出版社,20011