小高層建筑中短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吳永平

摘要:近年來(lái)短肢剪力墻體系在房地產(chǎn)市場(chǎng)上頗受歡迎,這種體系在布置上具有較大的靈活性且造價(jià)較低,尤其適合建造住宅建筑。文章對(duì)短肢剪力墻體系在小高層建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析,指出了短肢剪力墻結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)和設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞:短肢剪力墻;小高層建筑;受力分析;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào):TU398文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2374(2009)22-0149-02

房屋或構(gòu)筑物中主要承受風(fēng)荷載或地震作用引起的水平荷載的墻體。防止結(jié)構(gòu)剪切破壞。又稱(chēng)抗風(fēng)墻或抗震墻、結(jié)構(gòu)墻。分平面剪力墻和筒體剪力墻。平面剪力墻用于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、升板結(jié)構(gòu)、無(wú)梁樓蓋體系中。為增加結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度及抗倒塌能力,在某些部位可現(xiàn)澆或預(yù)制裝配鋼筋混凝土剪力墻?，F(xiàn)澆剪力墻與周邊梁、柱同時(shí)澆筑,整體性好。筒體剪力墻用于高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)和懸吊結(jié)構(gòu)中,由電梯間、樓梯間、設(shè)備及輔助用房的間隔墻圍成,筒壁均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土墻體,其剛度和強(qiáng)度較平面剪力墻高可承受較大的水平荷載。

短肢剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比為5～8的剪力墻;高層建筑結(jié)構(gòu)不應(yīng)采用全部短肢剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu);短肢剪力墻較多時(shí),應(yīng)布置筒體(或一般剪力墻),形成短肢剪力墻與筒體(或一般剪力墻)共同抵抗水平力的剪力墻結(jié)構(gòu)。

一、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)

通過(guò)大量的工程實(shí)踐可以看出,短肢剪力墻在結(jié)構(gòu)中的合理布置是很重要工作,對(duì)調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度,降低剪力墻混凝土用量很有幫助。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系的布置要點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)是:

1.結(jié)合建筑平面,利用間隔墻位置來(lái)布置豎向構(gòu)件,基本上可以做到不與建筑使用功能發(fā)生矛盾。

2.短肢剪力墻的數(shù)量多少要精心設(shè)計(jì),肢長(zhǎng)截面的高厚比必須在5～8的范圍內(nèi),主要視抗側(cè)力和扭轉(zhuǎn)控制的的需要而定,可通過(guò)不同的尺寸和布置來(lái)調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度中心位置。

3.要靈活布置,可選擇的方案較多時(shí),要使樓蓋方案盡量簡(jiǎn)單。

4.連接各墻肢的連梁,與墻等寬,可隱蔽布置。如果短肢剪力墻的長(zhǎng)度已無(wú)法調(diào)整,可以通過(guò)調(diào)整連梁高度來(lái)調(diào)整結(jié)構(gòu)整體剛度和剛度中心。

5.根據(jù)建筑平面的抗側(cè)剛度的需要,利用中心剪力墻,形成主要的抗側(cè)力構(gòu)件,較易滿(mǎn)足剛度和強(qiáng)度要求。

6.短肢剪力墻的肢長(zhǎng)在1～1.2m之間比較經(jīng)濟(jì),小墻肢盡量避免。

二、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)常用的有“T”字型、“L”型、“十”字型、“Z”字型、折線型、“一”字型。這種結(jié)構(gòu)型式的特點(diǎn)是:

1.結(jié)合建筑平面,利用間隔墻位置來(lái)布置豎向構(gòu)件,基本上不與建筑使用功能發(fā)生矛盾。

2.墻的數(shù)量可多可少,肢長(zhǎng)可長(zhǎng)可短,主要視抗側(cè)力的需要而定,還可通過(guò)不同的尺寸和布置來(lái)調(diào)整剛度中心的位置。

3.能靈活布置,可選擇的方案較多,樓蓋方案簡(jiǎn)單。

4.連接各墻的梁,隨墻肢位置而設(shè)于間隔墻豎平面內(nèi),可隱蔽。

5.根據(jù)建筑平面的抗側(cè)剛度的需要,利用中心剪力墻,形成主要的抗側(cè)力構(gòu)件,較易滿(mǎn)足剛度和強(qiáng)度要求。

對(duì)20層左右的高層住宅,國(guó)內(nèi)采用比較多的是框架一剪力墻體系或全剪力墻體系。根據(jù)平面布置的特點(diǎn),通常利用中部的豎向交通區(qū)設(shè)置較多的剪力墻,組成一個(gè)較完整或基本完整的筒體,而外圍部分則要視建筑的平面布局而定,可以布置為框架或剪力墻,形成框架-剪力墻體系或全剪力墻體系。

框架-剪力墻體系雖有可使建筑布置靈活、受力明確、計(jì)算簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),但由于房間布置一般都不規(guī)整,柱網(wǎng)難以布置,而且因框架柱子斷面較大,不論如何布置柱網(wǎng),都會(huì)存在柱截面大于隔墻厚度而造成房間內(nèi)柱子外露,影響美觀和家具布置,在平面復(fù)雜多變的情況下,結(jié)構(gòu)布置難趨合理,結(jié)構(gòu)計(jì)算分析困難。

全剪力墻體系抗震潛力大,結(jié)構(gòu)延性好,作為分隔墻能與建筑平面較好地配合,而且房間內(nèi)沒(méi)有梁柱外露,能滿(mǎn)足住宅的使用要求,可以避免上述框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。但從另外的角度看,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),按傳統(tǒng)的剪力墻布置方法用于高層住宅,即使是25層左右的建筑,剪力墻的配筋仍然是構(gòu)造配筋,即全剪力墻結(jié)構(gòu)體系的功能水平很高,用在此類(lèi)建筑中存在一定程度的浪費(fèi)。

為了發(fā)揮各種結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn),使結(jié)構(gòu)既有足夠的抗側(cè)能力,又能減輕結(jié)構(gòu)自重,減少結(jié)構(gòu)費(fèi)用,可以采用一種新的結(jié)構(gòu)形式——短肢剪力墻結(jié)構(gòu),簡(jiǎn)稱(chēng)短肢墻。

短肢剪力墻屬于剪力墻結(jié)構(gòu)體系,只不過(guò)采用的墻肢較短(通常認(rèn)為肢長(zhǎng)為2m左右或以下),而且通常采用T形、L形、[形甚至是十字形,當(dāng)然也可以采用部分“一”形。由于排列不夠整齊、規(guī)律,肢長(zhǎng)又比較短,所以與普通剪力墻結(jié)構(gòu)體系不同。當(dāng)肢長(zhǎng)相當(dāng)短(肢長(zhǎng)小于4倍墻厚)時(shí),它已接近于柱的形式,但并非方形或矩形,因此也稱(chēng)之為異型柱。目前短肢墻和異型柱之間沒(méi)有統(tǒng)一明確的界限和定義,但是無(wú)論名稱(chēng)如何,它是由框架柱和剪力墻演變而來(lái),并兼具兩者的優(yōu)點(diǎn),這一點(diǎn)是肯定的。

三、短肢剪力墻的受力特點(diǎn)

短肢剪力墻一般形成聯(lián)肢墻共同工作,連梁十分重要。如果連梁相對(duì)墻肢的剛度太弱,墻肢之間的聯(lián)系就很差,聯(lián)肢墻退化成連梁鉸接的兩個(gè)獨(dú)立墻肢。如果連梁相對(duì)墻肢的剛度太強(qiáng),情況就大不相同。我們知道剪力墻是以彎曲變形為主的構(gòu)件,在水平力作用下如同懸臂梁,彎矩圖沒(méi)有反彎點(diǎn),變形以彎曲變形為主。聯(lián)肢墻由于連梁約束彎矩的作用,墻肢彎矩圖在連梁約束處突變,從反彎點(diǎn)角度看,可能沒(méi)有反彎點(diǎn)或很少樓層有反彎點(diǎn)(圖1),這時(shí)聯(lián)肢墻變形以彎曲變形為主;反之如果反彎點(diǎn)很多,說(shuō)明洞口很大但梁墻剛度比也大,這時(shí)聯(lián)肢墻受力特點(diǎn)類(lèi)似框架稱(chēng)為壁式框架,剪切變形不能忽略,甚至以剪切變形為主。工程設(shè)計(jì)時(shí)即要避免聯(lián)肢短肢剪力墻形成壁式框架。上述原則理論上可歸納為同時(shí)滿(mǎn)足式(1)和式(2)的要求。

式中:

I剪力墻對(duì)組合截面形心的慣矩,In扣除墻肢慣矩后的剪力墻慣矩(各墻肢對(duì)組合截面形心的面積二次矩之和),α剪力墻整體參數(shù),α的物理意義反映了連梁與墻肢剛度間的比例關(guān)系,體現(xiàn)墻的整體性,具體判別如下:當(dāng)α<1時(shí)連梁對(duì)墻肢的約束作用很弱,各墻肢按單肢墻分別計(jì)算。α≥10時(shí)可認(rèn)為連梁約束作用很強(qiáng),可以按整體小開(kāi)口墻或壁式框架計(jì)算。

同時(shí)滿(mǎn)足式(1)和式(2)是聯(lián)肢剪力墻;滿(mǎn)足式(1)但α≥10是整體小開(kāi)口墻;不滿(mǎn)足式(1)只滿(mǎn)足α≥10是壁式框架。

四、結(jié)語(yǔ)

剪力墻結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能,且結(jié)構(gòu)布置靈活,造價(jià)低,經(jīng)濟(jì)性好,所以高層住宅較多的使用這種結(jié)構(gòu)形式。經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)、施工和使用中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié),進(jìn)一步優(yōu)化,這種結(jié)構(gòu)形式的小高層住宅是值得發(fā)展的住宅模式。

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