高層建筑中短肢剪力墻結(jié)構(gòu)截面設(shè)計與構(gòu)造問題探析

韓斌

【摘 要】由于短肢剪力墻抗震性能較差，地震區(qū)應(yīng)用經(jīng)驗不多，為安全起見，國家現(xiàn)行規(guī)范對這種結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的最大適用高度、使用范圍、抗震等級、筒體和一般剪力墻承受的地震傾覆力矩、墻肢厚度、軸壓比、截面剪力設(shè)計值、縱向鋼筋配筋率作了相應(yīng)規(guī)定。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；短肢剪力墻；截面尺寸；空間剛度；結(jié)構(gòu)自重；抗側(cè)剛度

0 引言

近年興起的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，有利于住宅建筑布置，又可進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)自重。但是在高層住宅中，剪力墻不宜過少、墻肢不宜過短，因此，不應(yīng)設(shè)計僅有短肢剪力墻的高層建筑，要求設(shè)置剪力墻筒體（或一般剪力墻），形成短肢剪力墻與筒體（或一般剪力墻）共同抵抗水平力的結(jié)構(gòu)。

1 關(guān)于剪力墻洞口布置規(guī)定

剪力墻洞口的布置，會極大地影響剪力墻的力學(xué)性能。規(guī)則開洞，洞口成列、成排布置，能形成明確的墻肢和連梁，應(yīng)力分布比較規(guī)則，又與當(dāng)前普遍應(yīng)用程序的計算簡圖較為符合，設(shè)計結(jié)果安全可靠。錯洞剪力墻應(yīng)力分布復(fù)雜，計算、構(gòu)造都比較復(fù)雜和困難。剪力墻底部加強(qiáng)部位，是塑性鉸出現(xiàn)及保證剪力墻安全的重要部位，一、二和三級不宜采用錯洞布置。其他情況如無法避免錯洞墻，宜控制錯洞墻洞口間的水平距離不小于2m，設(shè)計時應(yīng)仔細(xì)計算分析，并在洞口周邊采取有效構(gòu)造措施。一、二、三級抗震設(shè)計的剪力墻不宜采用疊合錯洞墻；當(dāng)無法避免疊合錯洞布置時，應(yīng)按有限元方法仔細(xì)計算分析并在洞口周邊采取加強(qiáng)措施或采用其他輕質(zhì)材料填充將疊合洞口轉(zhuǎn)化為規(guī)則洞口，其中陰影部分表示輕質(zhì)填充墻體。

因此國家現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范明確了剪力墻結(jié)構(gòu)洞口布置在設(shè)計中所注意事項：

（1）剪力墻的門窗洞口宜上下對齊、成列布置，形成明確的墻肢和連梁。宜避免使墻肢剛度相差懸殊的洞口設(shè)置?？拐鹪O(shè)計時，一、二、三級抗震等級剪力墻的底部加強(qiáng)部位不宜采用錯洞墻；一、二、三級抗震等級的剪力墻均不宜采用疊合錯洞墻。具有不規(guī)則洞口布置的錯洞墻，可按彈性平面有限元方法進(jìn)行應(yīng)力分析，并按應(yīng)力進(jìn)行截面配筋設(shè)計或校核。

（2）較長的剪力墻宜開設(shè)洞口，將其分成長度較為均勻的若干墻段，墻段之間宜采用弱連梁連接，每個獨立墻段的總高度與其截面高度之比不應(yīng)小于2。墻肢截面高度不宜大于8m。

2 關(guān)于剪力墻連梁及底部加強(qiáng)區(qū)設(shè)計的一般規(guī)定

剪力墻的特點是平面內(nèi)剛度及承載力大，而平面外剛度及承載力都相對很小。當(dāng)剪力墻與平面外方向的梁連接時，會造成墻肢平面外彎矩，而一般情況下并不驗算墻的平面外的剛度及承載力。當(dāng)梁高大于2倍墻厚時，梁端彎矩對墻平面外的安全不利，因此應(yīng)當(dāng)采取措施，以保證剪力墻平面外的安全。對截面較小的樓面梁可設(shè)計為鉸接或半剛接，減小墻肢平面外彎矩。鉸接端或半剛接端可通過彎矩調(diào)幅或梁變截面來實現(xiàn)，跨高比小于5的連梁，豎向荷載下的彎矩所占比例較小，水平荷載作用下產(chǎn)生的反彎使它對剪切變形十分敏感，容易出現(xiàn)剪切裂縫。本章針對連梁設(shè)計作了一些規(guī)定。當(dāng)連梁跨高比不小于5時，豎向荷載作用下的彎矩所占比例較大，宜按框架梁設(shè)計。此時應(yīng)相應(yīng)加大梁跨中彎矩。

關(guān)于剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)：在抗震設(shè)計時，為保證出現(xiàn)塑性鉸后剪力墻具有足夠的延性，該范圍內(nèi)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)構(gòu)造措施，提高其抗剪切破壞的能力。由于剪力墻底部塑性鉸出現(xiàn)都有一定范圍，因此對其作了規(guī)定。一般情況下單個塑性鉸發(fā)展高度為墻底截面以上墻肢截面高度hw的范圍，為安全起見，本條規(guī)定的加強(qiáng)部位范圍適當(dāng)擴(kuò)大。

樓板主梁支承在連梁或框架梁上時，一方面，主梁端部約束達(dá)不到要求；另一方面，對支承梁不利，因此要盡量避免。樓板次梁支承在連梁或框架梁上時，次梁端部可按鉸接處理梁與墻的連接有兩種情況：當(dāng)梁與墻在同一平面內(nèi)時，多數(shù)為剛接，梁鋼筋在墻內(nèi)的錨固長度應(yīng)與梁、柱連接時相同。當(dāng)梁與墻不在同一平面內(nèi)時，多數(shù)為半剛接，梁鋼筋錨固應(yīng)符合錨固長度要求；當(dāng)墻截面厚度較小時，可適當(dāng)減小梁鋼筋錨固的水平段，但總長度應(yīng)滿足非抗震或抗震錨固長度要求。

國家現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范明確了剪力墻結(jié)構(gòu)連梁及底部加強(qiáng)區(qū)布置在設(shè)計中所注意事項：

（1）應(yīng)控制剪力墻平面外的彎矩。當(dāng)剪力墻墻肢與其平面外方向的樓面梁連接時，應(yīng)至少采取以下措施中的一個措施，減小梁端部彎矩對墻的不利影響：

1）沿梁軸線方向設(shè)置與梁相連的剪力墻，抵抗該墻肢平面外彎矩；

2）當(dāng)不能設(shè)置與梁軸線方向相連的剪力墻時，宜在墻與梁相交處設(shè)置扶壁柱。扶壁柱宜按計算確定截面及配筋；

3）當(dāng)不能設(shè)置扶壁柱時，應(yīng)在墻與梁相交處設(shè)置暗柱，并宜按計算確定配筋；

4）必要時，剪力墻內(nèi)可設(shè)置型鋼。

（2）剪力墻開洞形成的跨高比小于5的連梁，應(yīng)按本章有關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計，當(dāng)跨高比不小于5時，宜按框架梁進(jìn)行設(shè)計。

（3）不宜將樓面主梁支承在剪力墻之間的連梁上。

3 短肢剪力結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)構(gòu)造

為了保證剪力墻的承載能力及變形能力，剪力墻混凝土的強(qiáng)度等級不宜太低。剪力墻最小厚度的目的是保證剪力墻出平面的剛度和穩(wěn)定性能。當(dāng)墻平面外有與其相交的剪力墻時，可視為剪力墻的支承，有利于保證剪力墻出平面的剛度和穩(wěn)定性能，因而可在層高及無支長度二者中取較小值計算剪力墻的最小厚度。無支長度是指沿剪力墻長度方向沒有平面外橫向支承墻的長度。而兩端無翼墻和端柱的一字形剪力墻，只能按層高計算墻厚，最小厚度也要加大。如果無法滿足本條厚度要求，可按高規(guī)程附錄D作墻體穩(wěn)定計算。

因此我國現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范明確了剪力墻結(jié)構(gòu)截面設(shè)計中所注意事項

（1）短肢剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C25。

（2）剪力墻的截面尺寸應(yīng)滿足下列要求：

l）按一、二級抗震等級設(shè)計的剪力墻的截面厚度，底部加強(qiáng)部位不應(yīng)小于層高或剪力墻無支長度的1/16，且不應(yīng)小于200mm；其他部位不應(yīng)小于層高或剪力墻無支長度的1/20，且不應(yīng)小于160mm；

2）按三、四級抗震等級設(shè)計的剪力墻的截面厚度，底部加強(qiáng)部位不應(yīng)小于層高或剪力墻無支長度的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長度的1/25，且不應(yīng)小于160mm；

3）非抗震設(shè)計的剪力墻，其截面厚度不應(yīng)小于層高或剪力墻無支長度的l/25，且不應(yīng)小于160mm；

4）當(dāng)墻厚不能滿足本條第1、2、3款的要求時，應(yīng)按高規(guī)附錄D計算墻體的穩(wěn)定；

5）剪力墻井筒中，分隔電梯井或管道井的墻肢截面厚度可適當(dāng)減小，但不宜小于160mm。

4 剪力墻的截面尺寸還應(yīng)滿足下列計算要求

鋼筋混凝土剪力墻正截面受彎計算公式是依據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010中偏心受壓和偏心受拉構(gòu)件的假定及有關(guān)規(guī)定，又根據(jù)中國建筑科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)所等單位所做的剪力墻試驗進(jìn)行了簡化。試驗研究表明，在墻體發(fā)生破壞時，剪力墻腹板中受壓區(qū)的分布鋼筋應(yīng)力仍然很小，因此在計算時忽略受壓區(qū)分布筋作用。按照平截面假定，不考慮受拉混凝土的作用，受壓區(qū)混凝土按矩形應(yīng)力圖塊計算。大偏壓時受拉區(qū)分布鋼筋應(yīng)力及受拉、受壓端部鋼筋都達(dá)到屈服，在1.5倍受壓區(qū)范圍之外，假定受拉區(qū)分布鋼筋全部屈服；小偏壓時端部受壓鋼筋屈服，而受拉分布鋼筋及端部鋼筋均未屈服。條文中分別給出了工字形截面的兩個基本平衡公式（∑N=0，∑M=0），由此可得到各種情況下的設(shè)計計算公式。偏心受拉正截面計算公式直接采用了現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010的有關(guān)公式。

5 結(jié)束語

總之，剪力墻結(jié)構(gòu)住宅建筑，由于其縱向墻體受到門窗及其它建筑上的限制，墻肢截面的高度及連梁的高度都不可能變化，所以這時宜綜合經(jīng)濟(jì)性和整體受力性能來調(diào)整橫向剪力墻的布置。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張晉，呂志濤.異形柱框輕和短肢剪力墻住宅結(jié)構(gòu)體系[J].建筑結(jié)構(gòu)，2001，31（7）：48-50.

[2]傅強(qiáng).短肢剪力墻抗剪性能研究[D].南京：東南大學(xué)，2000.

[責(zé)任編輯：王靜]