淺談小高層住宅中短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉春生孫洪斌

（1、哈爾濱寅易龍建筑工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150010；2、黑龍江奔馳建筑集團(tuán)有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150030）

1 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)

(1)結(jié)合建筑平面,利用間隔墻位置來布置豎向構(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,肢長可長可短,主要視抗側(cè)力的需要而定,還可通過不同的尺寸和布置來調(diào)整剛度中心的位置。

(3)在結(jié)構(gòu)布置方面靈活性及可調(diào)整性大,可選擇的方案較多,較易處理樓蓋的支承。

(4)連接各墻的梁,隨墻肢位置而設(shè)于間隔墻豎平面內(nèi)?？呻[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,較易滿足剛度和強(qiáng)度要求。

2 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)布置

(1)短肢墻的數(shù)量應(yīng)當(dāng)適中,避免結(jié)構(gòu)太剛或太柔,滿足豎向荷載和抗側(cè)力需要即可。

(2)短肢剪力墻的縱橫應(yīng)盡量均勻分布,其軸向應(yīng)力不應(yīng)相差懸殊。

(3)短肢剪力墻肢間距不宜過大,在平面外邊緣及角點(diǎn)處,特別是外凸部分,布置必要的短肢墻,既有利于梁的支撐,又可以分散荷載,以加強(qiáng)其整體性和滿足平面剛性的要求。

(4)各短肢剪力墻應(yīng)盡量對齊并拉直,與連梁一起構(gòu)成成片的聯(lián)肢墻抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。

(5)每道短肢墻宜與兩個方向的梁連結(jié),連梁盡可能布置在墻肢的豎平面內(nèi);連梁寬度一般宜與墻肢厚度相等;墻肢不宜過厚,以采用200mm、250mm或300mm為宜;可以混合布置部分較長的墻或矩形柱。

(6)小高層珠海外圍部分的豎向構(gòu)件根據(jù)受力的需要和建筑平面布置,設(shè)置適量的鋼筋混凝土短肢剪力墻,在各短肢剪力墻的墻肢間布置連系梁,把這些短肢墻以及核心筒連成一個整體,構(gòu)成整幢建筑的結(jié)構(gòu)體系。

3 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析

對短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算,因其是剪力墻大開口而成,所以基本上與普通剪力墻結(jié)構(gòu)分析相同,可采用三維桿——系簿壁柱空間分析方法(TBSA、TAT)或空間桿——墻組元分析方法(TBSSAP、SATWE)。其中空間桿墻組元分析方法計(jì)算模型更符合實(shí)際情況,精度較高。目前國內(nèi)大多采用中國建研院系列軟件中的TAT和SATWE來計(jì)算。

3.1 TAT

TAT軟件采用的是三維空間模型,對剪力墻采用薄壁柱單元計(jì)算原理,對梁柱采用空間桿系計(jì)算原理。在TAT計(jì)算中,為了使結(jié)構(gòu)受力更合理,應(yīng)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算簡化;對多肢剪力墻計(jì)算最常用的手段是按剪力墻開洞的辦法進(jìn)行,開洞應(yīng)上下對齊,減少上下偏心。剪力墻開洞后,洞口上下剩余部分TAT用梁單元來模擬。開洞主要是為了把剪力墻簡化為符合薄壁柱的計(jì)算模型,同時使簡化后的剪力墻的受力更為明確。TAT中樓板采用剛性樓板假定,即平面內(nèi)剛度無限大,平面外剛度為零。此假定對規(guī)則結(jié)構(gòu)即樓板無大開洞且板厚不大的常規(guī)結(jié)構(gòu)計(jì)算誤差很小。

3.2 SATWE

SATWE是專門為多高層建筑結(jié)構(gòu)分析而研發(fā)的空間組合結(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結(jié)構(gòu)體系計(jì)算。SATWE是以殼元理論為基礎(chǔ)構(gòu)造一通用的超單元墻元為模擬剪力墻,它不僅具有平面內(nèi)剛度,也具有平面外剛度,可以較好地模擬剪力墻的受力狀態(tài)。而且墻元的每個節(jié)點(diǎn)都具有空間6個自由度,可方便地與任意空間梁柱單元連接,無需任何附加約束。SATWE給樓板4種簡化假定,即假定樓板整體平面內(nèi)無限剛、分塊無限剛、分塊無限剛帶彈性連接板帶和彈性樓板。

4 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題

(1)嚴(yán)格控制短肢墻的軸壓比,尤其是無翼緣或端柱的一字形短肢剪力墻。目前,根據(jù)國內(nèi)外研究結(jié)果,在承受壓彎作用的剪力墻中,當(dāng)處于小偏壓狀態(tài)時,墻的延性較差。不僅如此,即使在大偏壓狀態(tài)下,若軸壓比較大,混凝土受壓區(qū)的邊緣應(yīng)力很高,如果混凝土沒有約束或約束不夠,可能混凝土先達(dá)到極限壓應(yīng)變,出現(xiàn)豎向裂縫,甚至壓碎,使構(gòu)件喪失變形能力和承載能力。因此,在設(shè)計(jì)時,應(yīng)嚴(yán)格控制短肢墻的軸壓比,以保證短肢墻的延性。

(2)應(yīng)采取三維計(jì)算方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動力特性分析和桿件內(nèi)力計(jì)算。這時對于豎向構(gòu)件又有薄壁桿模型與墻元模型,前者是一種簡化模型,但精確度較低;后者是板元與膜元的組合,是一種高精度力學(xué)模型。

(3)由于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)相對于普通剪力墻結(jié)構(gòu)其抗側(cè)剛度相對較小,設(shè)計(jì)時宜布置適當(dāng)數(shù)量的長墻,或利用電梯,樓梯間形成剛度較大的內(nèi)筒,以避免設(shè)防烈度下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的變形,同時也形成兩道抗震設(shè)防。

(4)各墻肢分布要盡量均勻,使其剛度中心與建筑物的形心盡量接近;抗震設(shè)計(jì)中,簡體和一般剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩不宜小于結(jié)構(gòu)底部地震傾覆力矩的50%,必要時也可以通過增加長肢墻的方法調(diào)整剛度中心位置。

(5)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系的抗震薄弱環(huán)節(jié)是建筑外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢,特別是“一字形”短肢剪力墻,可出現(xiàn)先于與其相連的梁破壞的情況。如當(dāng)高層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)有扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時,會加劇已有的翹曲變形,使其墻肢首先開裂。因此,設(shè)計(jì)時應(yīng)采取必要的措施,如對位于建筑外邊緣及角點(diǎn)處的短肢剪力墻應(yīng)減小軸壓比,增大縱筋和箍筋的配筋率,加強(qiáng)小墻肢的延性抗震性能,避免形成孤立的“一”字形短肢剪力墻,以保證結(jié)構(gòu)的安全性、實(shí)用性。

(6)要正確判定短肢剪力墻結(jié)構(gòu)墻肢平面內(nèi)梁的屬性。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ5-2002)規(guī)定:剪力墻開洞形成的跨高比小于5的連梁應(yīng)按連梁進(jìn)行設(shè)計(jì);當(dāng)跨高比大于5時宜按框架梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。連梁的剛度變化,直接影響了結(jié)構(gòu)的總體抗側(cè)移剛度,合理地選擇梁的截面和配筋,有利于提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。因此,小高層住宅短肢剪力墻結(jié)構(gòu)在實(shí)際設(shè)計(jì)時,墻肢剛度可相對減小;連接各墻肢間的梁剛度不應(yīng)折減。只有這樣,才能使梁截面設(shè)計(jì)易于滿足規(guī)范的要求,也是偏于安全的。

(7)小高層住宅在設(shè)計(jì)時,為避免連梁剪切破壞先于彎曲破壞,應(yīng)滿足強(qiáng)剪弱彎的要求;不宜采用窗下墻作為連梁,因?yàn)榇跋聣Ω叨群艽?形成剛度很大的剪切塊,不利于結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì),所以,宜將連梁設(shè)計(jì)成為截面、剛度較小的弱連梁。

5 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求同一般剪力墻結(jié)構(gòu)。目前我國各設(shè)計(jì)院在短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,剪力墻端部暗柱的設(shè)置有兩種形式:一種是端部做暗柱,設(shè)置剪力墻水平和豎向分布筋,適于肢長較長的短肢剪力墻;另一種有點(diǎn)類似異形柱的配筋方法,以腹部均勻配筋,腹部鋼筋面積根據(jù)電算時人為設(shè)置豎向分布筋的配筋率來計(jì)算,電算出的暗柱鋼筋面積放在端部,適于肢長較短的短肢剪力墻,且配筋形式較簡化,利于工程施工。

短肢剪力墻的連梁應(yīng)進(jìn)行正截面極限承載力計(jì)算和斜截面抗剪極限承載力計(jì)算。目前,短肢剪力墻正截面極限承載力計(jì)算多采用構(gòu)建截面分析的一般方法——全過程分析方法;連梁的正截面配筋,按矩形截面構(gòu)件計(jì)算,取上、下配筋的較大值,按對稱配筋置于梁截面上、下部位,按斜截面抗剪計(jì)算所得的箍筋沿全跨加密設(shè)置。另外,短肢剪力墻的連梁在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時,其彎矩和剪力進(jìn)行塑性調(diào)幅,以降低其剪力設(shè)計(jì)值;當(dāng)部分連梁降低彎矩設(shè)計(jì)值后,應(yīng)相應(yīng)提高其余部位連梁和墻肢的彎矩設(shè)計(jì)值;為避免在使用過程中連梁中裂縫開展過早、過大,當(dāng)內(nèi)力計(jì)算時連梁的剛度已經(jīng)折減,則應(yīng)限制其調(diào)幅的范圍或不再調(diào)幅。

[1]張曉芬，張揚(yáng).高層住宅剪力墻的合理布置.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)【期刊】科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，1999-08-30.