淺議高層建筑短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉加良

（廣東 佛山 528000）

淺議高層建筑短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉加良

（廣東 佛山 528000）

鋼筋混凝土短肢剪力墻結(jié)構(gòu)具有墻肢可靈活布置，給建筑較大的靈活空間；剪力墻數(shù)量較少，減輕了自重，減小了水平地震作用，降低了鋼筋混凝土的用量等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛運(yùn)用。文章對(duì)高層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。

高層建筑；短肢剪力墻；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著城市住宅建筑設(shè)計(jì)的形式多樣化和可利用土地的逐漸減少，人們對(duì)住宅平面與空間的要求越來(lái)越高，普通框架結(jié)構(gòu)的露柱露梁、普通剪力墻結(jié)構(gòu)對(duì)建筑空間的嚴(yán)格限定與分隔已不能滿(mǎn)足人們對(duì)住宅空間的要求。短肢剪力墻特別是墻長(zhǎng)不大于5倍墻厚的墻肢的抗震性能，從受力特性到構(gòu)件的安全儲(chǔ)備有別于普通剪力墻的性能。因此，設(shè)計(jì)中要把握“二階段三水準(zhǔn)”的設(shè)計(jì)原則，針對(duì)具體工程、具體問(wèn)題采取符合結(jié)構(gòu)概念的設(shè)計(jì)方法，滿(mǎn)足規(guī)范精神。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)這樣或那樣不盡如人意之處，如結(jié)構(gòu)偏保守、安全系數(shù)較低，造價(jià)不合理等，因此，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行科學(xué)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)便成了設(shè)計(jì)中必不可少的程序。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化過(guò)程

結(jié)構(gòu)方案剪力墻布置不合理，造成剛度過(guò)大且不均勻，重量增加導(dǎo)致地震反應(yīng)增強(qiáng)，并使上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)造價(jià)提高，因此，必須對(duì)此方案進(jìn)行優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)更加安全科學(xué)合理。

優(yōu)化的結(jié)構(gòu)方案應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)平面形狀和剛度均勻?qū)ΨQ(chēng)，短肢剪力墻雙向布置，盡量拉通、對(duì)直。豎向布置中，求規(guī)則均勻，避免有過(guò)大的外挑、內(nèi)收以及樓層剛度沿豎向突變，使整個(gè)房屋的抗側(cè)剛度中心靠近水平荷載合力的作用線(xiàn)，以免房屋發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

根據(jù)建筑的平面布置，在房間、樓梯間、電梯間的四角采用Z形、L形、T形或異形的墻肢。在設(shè)計(jì)過(guò)程中還應(yīng)注意同周期的關(guān)系，使結(jié)構(gòu)的第一自振周期避開(kāi)場(chǎng)地特征周期，以免地基與結(jié)構(gòu)形成共振或類(lèi)共振。既保證結(jié)構(gòu)在風(fēng)和地震荷載作用下的變形控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，又要保證建筑物有相對(duì)合理的自振周期，做到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)、合理。

2 兩種方案的分析與比較

2.1 分析軟件介紹

SATWE是專(zhuān)門(mén)為多、高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)而研制的空間結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，適用于各種復(fù)雜體型的高層鋼筋混凝土框架、框剪、剪力墻、筒體結(jié)構(gòu)等，也適用于混凝土鋼混合結(jié)構(gòu)和高層鋼結(jié)構(gòu)。

2.1.1 SATWE的計(jì)算模型

SATWE是用墻元來(lái)模擬剪力墻。SATWE中的墻元是在板殼單元的基礎(chǔ)上構(gòu)造出的一種通用墻元，它采用靜力凝聚原理將由于墻元的細(xì)分而增加的內(nèi)部自由度消去，將其剛度凝聚到邊界節(jié)點(diǎn)上，從而保證了墻元的精度和有限的出口自由度，而且墻元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有空間全部6個(gè)自由度，可以方便地與任意空間梁、柱單元連接，而無(wú)需任何附加約束，同時(shí)也降低了剪力墻的幾何描述和板殼單元?jiǎng)澐值碾y度，提高了分析效率。

板殼單元是目前模擬剪力墻的最理想單元，SATWE選用這一單元并對(duì)墻元的細(xì)分和墻上開(kāi)洞作了自動(dòng)化處理。

2.1.2 SATWE在對(duì)樓板的處理上采用了四種不同的假定

（1）剛性樓板。假定樓板平面內(nèi)無(wú)限剛，忽略樓板平面外剛度。其中“假定樓板整體平面內(nèi)無(wú)限剛”多用于常規(guī)結(jié)構(gòu)；“假定樓板分塊平面內(nèi)無(wú)限剛”適用于多塔式錯(cuò)層結(jié)構(gòu)。

（2）彈性樓板6?！皬椥詷前?”采用殼單元真實(shí)計(jì)算樓板平面內(nèi)和平面外剛度，適用于板柱結(jié)構(gòu)和板柱——抗震墻結(jié)構(gòu)。

（3）彈性樓板3?！皬椥詷前?”假定平面內(nèi)剛度無(wú)窮大，面外剛度真實(shí)計(jì)算。適用于厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。

（4）彈性膜。“彈性膜”采用殼單元真實(shí)計(jì)算樓板平面內(nèi)剛度，忽略樓板平面外剛度，適用于空曠的工業(yè)廠(chǎng)房和體育場(chǎng)館結(jié)構(gòu)、樓板局部開(kāi)大洞結(jié)構(gòu)、樓板平面較長(zhǎng)或者有較大的凹入以及弱連接結(jié)構(gòu)。

為提高計(jì)算效率，在保證一定的分析精度的前提下，針對(duì)不同類(lèi)型的工程，采用不同的樓板假定。

2.2 結(jié)果分析

從構(gòu)件力學(xué)特性上來(lái)說(shuō)，短肢剪力墻的肢長(zhǎng)與肢厚比≥5，更接近于剪力墻，故計(jì)算時(shí)將短肢剪力墻作為剪力墻而不是柱考慮應(yīng)更合理。SATWE采用的是在每個(gè)節(jié)點(diǎn)有Ⅵ個(gè)自由度的殼元基礎(chǔ)上凝聚而成的墻元，模擬剪力墻墻元不僅具有平面內(nèi)剛度也具有平面外剛度，可以較好地模擬工程中剪力墻的真實(shí)受力狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果較精確；同時(shí)，對(duì)樓板SATWE 可以考慮其彈性變形。雖然主樓結(jié)構(gòu)平面較規(guī)則，立面也無(wú)剛度突變現(xiàn)象，但由于剛度較大的電梯井處簡(jiǎn)體有點(diǎn)偏置，會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的影響。為了計(jì)算準(zhǔn)確，地震作用計(jì)算考慮了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)和5%偶然偏心的影響，取了20個(gè)振型計(jì)算。

2.2.1 自振周期的控制

考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時(shí)的自振周期（計(jì)算時(shí)自振周期折減系數(shù)取0.95），如表1（只列了前8個(gè)）所示。從中可得，優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期T4＝0.6545 s，平動(dòng)為主的第一自振周期Tl＝2.0836 s，T4/T1＝0.3141﹤0.9，滿(mǎn)足高規(guī)（JGJ3－2002）第4.3.5 條的規(guī)定。

2.2.2 結(jié)構(gòu)位移的控制

風(fēng)荷載、地震荷載作用下最大層間位移角（應(yīng)≤1/1 000）、最大水平位移與層平均位移的比值（不宜大于1.2，不應(yīng)大于1.5）及最大層間位移與平均層間位移的比值（不宜大于1.2，不應(yīng)大于1.5），從中可以看出結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載和地震作用下的位移均能很好地滿(mǎn)足規(guī)范限值。

2.2.3 剪重比、剛重比控制

剪重比是反映結(jié)構(gòu)承受地震作用大小的指標(biāo)之一。地震力計(jì)算不能偏大，但也不能太小，因?yàn)槎讨袅Ρ旧淼挚沟卣鸬哪芰^差。如果短肢剪力墻分配的地震力太大，則很有可能不滿(mǎn)足要求。新方案X方向的最小剪重比為0.84%，Y方向的最小剪重比為0.83%，根據(jù)“抗震規(guī)范”第5.2.5 條及第5.1.4 條要求的X、Y向樓層最小剪重比均為0.8%～1%。

剛重比是影響重力二階（p－△）效應(yīng)的主要參數(shù)，且重力二階效應(yīng)隨著結(jié)構(gòu)剛重比的降低呈雙曲線(xiàn)關(guān)系增加。高層建筑在風(fēng)荷載或水平地震作用下。若重力二階效應(yīng)過(guò)大則會(huì)引起結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)倒塌，故控制好結(jié)構(gòu)的剛重比，則可以控制結(jié)構(gòu)不失去穩(wěn)定。新方案X方向、Y方向的剛重比均滿(mǎn)足“高規(guī)”第5.4.4條的規(guī)定，所以各層均滿(mǎn)足要求。

2.2.4 軸壓比控制

軸壓比是體現(xiàn)墻肢抵抗重力荷載代表值作用下的能力。為了控制在地震力作用下結(jié)構(gòu)的延性，新的“高規(guī)”和“抗震規(guī)范”對(duì)剪力墻均提出了軸壓比的計(jì)算要求?！耙?guī)范”對(duì)短肢剪力墻（尤其一字墻肢）要求更高一些。原方案底部剪力墻最大軸壓比為0.58，新方案底部剪力墻最大軸壓比為0.59，上述方案出現(xiàn)的短肢剪力墻軸壓比小于規(guī)范規(guī)定值，即滿(mǎn)足要求。

2.3 優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟(jì)比較

為了與工程實(shí)際情況相符，假設(shè)混凝土的成本與混凝土的體積成正比，鋼筋的成本與鋼筋的體積成正比。在總造價(jià)上，暫不考慮模板及樓板等工程的造價(jià)影響，材料的單方造價(jià)混凝土為280元/m3，鋼筋為3 760元/t。通過(guò)以上兩種方案的電算分析指數(shù)表明，方案二的豎向結(jié)構(gòu)體系的截面面積雖然較小，但仍可保證滿(mǎn)足承載力、剛度、位移的要求。顯而易見(jiàn)，優(yōu)化后的方案不僅節(jié)約了業(yè)主的投資費(fèi)用，更重要的是節(jié)約了資源。

2.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中其他應(yīng)注意的事項(xiàng)

本文針對(duì)小高層住宅樓的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在比原設(shè)計(jì)方案節(jié)省投資19.3%的情況下，使結(jié)構(gòu)受力更合理，整體變形能力和結(jié)構(gòu)吸能能力對(duì)抗震更為有利，但設(shè)計(jì)過(guò)程中還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)是建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢，因而設(shè)計(jì)時(shí)在以上部位布置L 型或一字型短肢墻，受條件所限也出現(xiàn)了少量一字型短肢墻。設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格控制其軸壓比﹤0.6，且相差不應(yīng)太懸殊，以避免墻肢應(yīng)力差異過(guò)大。

（2）小高層建筑中的連梁是一個(gè)耗能構(gòu)件，對(duì)抗震不利。多、小高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中允許連梁的剛度有所下降，但應(yīng)注意短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中，墻肢剛度相對(duì)較小，連接各墻肢的梁已類(lèi)似普通框架梁，而不同于一般剪力墻間的連梁，不應(yīng)在計(jì)算的總體信息中將連梁的剛度大幅下調(diào)，使其設(shè)計(jì)內(nèi)力降低，應(yīng)按普通框架梁的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化中，由于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)可以靈活布置，墻肢可長(zhǎng)可短，可落地也可帶轉(zhuǎn)換層，房間內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)露梁露柱的現(xiàn)象，且短肢剪力墻的抗震性能也優(yōu)于異形柱剪力墻結(jié)構(gòu)。

Discussion on the Structural Design of Short Shear Wall in High-rise Building

Liu Jialiang

Reinforced concrete short shear wall structure with wall limbs has the advantages including being flexibly arranged, providing a large flexible space for building, reducing the number and weight of walls, reducing the horizontal seismic action, reducing the amount of reinforced concrete, etc. Therefore, it has been widely used. In this paper, structural design of shear wall in high－rise building is discussed.

high－rise building; short shear wall; structural design

TU973

A

1000－8136（2011）03－0050－02