剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中的若干問題探析

周曉莉

摘 要：伴隨著高層建筑的迅猛增加，對剪力墻結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計及優(yōu)化布置，對于節(jié)約建設(shè)成本具有重要意義。本文對剪力墻結(jié)構(gòu)分析模型及方法進行了介紹，并重點對剪力墻結(jié)構(gòu)的合理布置問題進行了探討和研究。

關(guān)鍵詞：高層建筑；剪力墻結(jié)構(gòu)；優(yōu)化布置

1 剪力墻結(jié)構(gòu)分析模型及方法

高層建筑結(jié)構(gòu)中的剪力墻所承受的荷載有風(fēng)和地震引起的水平荷載、結(jié)構(gòu)自重和各樓層活荷載等豎向荷載，其主要功能還是抵抗結(jié)構(gòu)的水平側(cè)力，利用其強大的抗側(cè)移剛度，減小結(jié)構(gòu)的側(cè)移。一般在多遇地震的情況下，剪力墻能很好地滿足結(jié)構(gòu)強度、剛度和抗震方面的要求，在大震和罕遇地震的情況下，由于地震加速度峰值大，輸入的地震能量大，這就要求剪力墻具有較好的耗能能力，具有較好的延性。所以在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對有抗震設(shè)防要求的結(jié)構(gòu)就要進行非線形靜力、動力分析，而在這一分析中，如何建立合理的剪力墻計算分析模型就顯得為重要。目前國內(nèi)外對剪力墻的計算分析模型的研究很多，主要可歸納為兩種，基于固體力學(xué)的微觀模型和以一個構(gòu)件為一個單元的宏觀模型。

1.1 微觀模型

微觀模型是指用有限元來離散鋼筋混凝土構(gòu)件。對剪力墻體中的鋼筋和混凝土的處理，一般有二種方法：將鋼筋和混凝土離散開，分別建立不同的單元，鋼筋單元和混凝土單元之間采用聯(lián)結(jié)單元來連接以模擬粘結(jié)和滑移。根據(jù)剪力墻配筋基本上呈均勻分布的特點，將鋼筋和混凝土作為一個整體的復(fù)合介質(zhì)單元，鋼筋彌散于整個單元中，并把單元視為連續(xù)均勻材料，混凝土開裂處理為單元內(nèi)的分布裂縫。一般情況下剪力墻暗柱處配筋較大且對剪力墻性能影響較大，中間墻片處配筋小且比較均勻，可將暗柱和中間墻片分別處理，將暗柱處的鋼筋和混凝土進行離散，而對中間墻片采用復(fù)合單元的方法。

利用微觀模型的有限元分析方法能夠給出結(jié)構(gòu)或構(gòu)件內(nèi)力和變形發(fā)展的過程，能夠描述裂縫的形成和擴展，以及結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的破壞過程及其形態(tài)，從而可揭示出結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的基本性能。因此研究剪力墻構(gòu)件的基本性能及彎曲、滯回特性，微觀模型的有限元分析方法理論上是一種基本和精確的方法。對于實際結(jié)構(gòu)的分析，采用微觀模型容易造成龐大的自由度，從而引起的數(shù)值分析上的困難，因此這一模型目前主要用于構(gòu)件和結(jié)點的分析中，而很少應(yīng)用用整個結(jié)構(gòu)的分析中。

1.2 主要的宏觀模型

宏觀模型是指通過簡化處理將某一構(gòu)件簡化成一個單元，這種模型存在一定的局限性，一般只有在滿足其簡化假設(shè)的前提下，才能較好地模擬結(jié)構(gòu)地真實性態(tài)。然而由于這種模型相對比較簡單，計算量較小，所以從分析實際結(jié)構(gòu)考慮，宏觀模型仍是目前鋼筋混凝土剪力墻研究和使用中的最主要的模型。剪力墻宏觀模型主要有等效梁模型、等效精架模型、三垂直桿元模型等。

1.2.1 等效梁模型

這種模型是用梁單元沿墻軸線來對剪力墻進行離散。最簡單最常用的梁單元模型是單分量模型，它由一個兩端帶有等效非線性旋轉(zhuǎn)彈簧的線彈性單元組成，該單元的全部非線性變形集中于兩端非線性旋轉(zhuǎn)彈簧的旋轉(zhuǎn)即塑性鉸上。每個彈簧的非線性彎矩一轉(zhuǎn)動關(guān)系由事先假定的反彎點的位置來確定，端點的非線性轉(zhuǎn)動取決于該處的彎矩。對于非線性彈簧可一采用任意給定的彎矩一轉(zhuǎn)動滯變模型，除彎曲模型外，由拉伸鋼筋滑移引起的也可包括在滯變模型中。但這種梁單元模型忽略了反應(yīng)中墻軸力的變化，并假設(shè)墻的轉(zhuǎn)動圍繞著墻橫截面的中性軸，因而沒有考慮地震反應(yīng)中墻橫截面中性軸的移動。

1.2.2 等效析架模型

1989年Hiraishi和Kawashimail7l用一等效格架系統(tǒng)來模擬剪力墻，該模型的特點是可以計算由對角開裂引起的應(yīng)力再分布。然而用此模型的困難是要合適定義等效析架系統(tǒng)幾何和力學(xué)特性，因而這一模型應(yīng)用較少。

1.2.3 三垂直桿元模型

1984年Kabeyasawa等為解釋美日合作研究的足尺的七層鋼筋混凝土框架一剪力墻結(jié)構(gòu)偽動力試驗結(jié)果，提出了一個三垂直桿元模型。三垂直桿元模型中三個垂直桿元通過代表上下樓板的剛性梁連接，兩個外邊桿單元代表墻兩邊柱的軸向剛度，中心桿元由垂直、水平和彎曲彈簧組成，在中心桿元與下部剛梁之間加入一高度為rh的剛性元素，rh即為底部和頂部剛梁相對旋轉(zhuǎn)中心的高度。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)的合理布置

2.1 層數(shù)較少的高層住宅

20層以下的高層采用傳統(tǒng)的現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)，各墻肢軸壓比的計算值往往較小，墻體配筋為構(gòu)造配筋，墻體承載能力沒有發(fā)揮出來，工程費用偏高。這時，若采用一種改進的現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)，屬于聯(lián)肢剪力墻的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)(整體系數(shù)控制在3.5左右)，以上不足就可以得到解決。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的具體做法是:利用位于建筑平面中部抗側(cè)剛度很大的樓梯間、電梯間作為一個抵抗水平力的抗剪核心筒，這個核心筒有多片剪力墻組成，用以抵抗大部分由風(fēng)荷載和地震作用引起的水平力。在7度區(qū)，20層以下的高層住宅采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)頂點位移、周期、底部剪力一般均可控制在合理范圍內(nèi)。

2.2 框支剪力墻結(jié)構(gòu)

底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)是指全落地剪力墻和框架支承的剪力墻協(xié)同工作的結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)體系在底層為商店，上層為住宅，旅館的建筑中經(jīng)常被采用。但是這種體系的抗震性能不好，因為上層剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度很大，而下層框架一剪力墻剛度較小;結(jié)構(gòu)剛度沿豎向變化懸殊，有時達4-6倍，使得結(jié)構(gòu)在水平力作用下容易產(chǎn)生應(yīng)力集中和變形集中。下層的剛度應(yīng)不小于上層剛度的70%。在框支剪力墻結(jié)構(gòu)中，為了減小上下層的剛度比，不采用加大下層剛度的方法，而采取減小上部剪力墻體系的剛度即改用短肢剪力墻體系，經(jīng)濟效果就十分明顯了。改進后保留的短肢墻的數(shù)量主要取決于結(jié)構(gòu)剛度的要求，要使結(jié)構(gòu)的頂點位移和層間位移滿足規(guī)范要求，并使底部剪力系數(shù)控制在合理的范圍內(nèi)。

2.3 層數(shù)較多的高層住宅

在層數(shù)較多的高層建筑中，如采用短肢剪力墻體系，就使得結(jié)構(gòu)較柔，結(jié)構(gòu)頂點位移和層間位移就不一定能滿足規(guī)范要求，底部剪力系數(shù)也偏低，結(jié)構(gòu)趨于不安全。因此層數(shù)較多的高層住宅，最好采用整體性系數(shù) 接近10的聯(lián)肢剪力墻。

3 在高層建筑中剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計注意事項

剪力墻的布置宜沿著主軸方向或其他方向雙向布置;有抗震要求的剪力墻，應(yīng)避免僅單向有墻的結(jié)構(gòu)形式。墻肢截面宜簡單、規(guī)則，側(cè)向剛度不宜過大。高層建筑結(jié)構(gòu)不應(yīng)采用全部為短肢剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)。短肢剪力墻較多的時候應(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)?？拐鹪O(shè)計時短肢剪力墻的抗震等級應(yīng)比規(guī)定的剪力墻抗震等級提高以及采用;在抗震等級為一、二、三時不宜大于0.5,0.6,0.7;對于無翼緣或端柱的一字形短肢剪力墻其軸壓比應(yīng)降低0.10短肢剪力墻截面厚度不應(yīng)小于200mm。

剪力墻宜至下到上連續(xù)布置，避免剛度突變。

按三、四級抗震等級設(shè)計的剪力強戒面厚度底部加強部位不應(yīng)小于層高和剪力墻無支長度的1/20，且不應(yīng)小于160mm;其他部位不應(yīng)小于層高或剪力墻無支民度的1/25且不應(yīng)小于160mm。

高度不大于150m的剪力墻結(jié)構(gòu)，其樓層層間最大位移與層高之比△ulh}1/1000。

平面不規(guī)則而豎向規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)計算模型并應(yīng)符合下列要求:1)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則時應(yīng)計及扭轉(zhuǎn)影響且樓層豎向構(gòu)件最大的彈性水平位移和層間位移分別小宜大十樓層兩端彈性水平位移和層間位移平均值的1.5倍;2)凹凸不規(guī)則或樓板局部不連續(xù)時應(yīng)采用符合樓板平面內(nèi)實際剛度變化的計算模型當(dāng)平面不對稱時尚應(yīng)計及扭轉(zhuǎn)影響。

抗震設(shè)計的高層建筑結(jié)構(gòu)，其樓層側(cè)向剛度小宜小十相鄰上部樓層側(cè)向剛度的70%或其上相鄰三層側(cè)向剛度平均值的80%。當(dāng)把地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端時，地下室的樓層側(cè)向剛度不應(yīng)小于相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度的2倍。

參考文獻

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