民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中短肢剪力墻技術(shù)的應(yīng)用

付小平 虞祝帥

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人類生活水平的提高，人們對(duì)物質(zhì)追求也提出了新要求。尤其是住宅建筑結(jié)構(gòu)，在社會(huì)發(fā)展的現(xiàn)階段更是出現(xiàn)了五花八門、滿目琳瑯的現(xiàn)象，這就要求人們?cè)诠ぷ髦胁粌H要在外觀設(shè)計(jì)中追求樣式創(chuàng)新，對(duì)于空間結(jié)構(gòu)在保證住宅功能的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的更加人性化、美觀化。在這種建筑時(shí)代背景下，建筑設(shè)計(jì)工程師為了滿足人們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的新要求，不斷的追求和思考新的結(jié)構(gòu)模式，這就使得剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用逐漸廣泛。本文從短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念和原則入手，著重探討了其在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，旨在為同行工作提供參考。

關(guān)鍵詞：民用建筑；短肢剪力墻；要求；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TD229文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

引言

民用建筑是社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的產(chǎn)物，是城市人口集中、人口眾多、用地緊張和商業(yè)競爭加劇的必然趨勢。在高層建筑工程中，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整個(gè)工程項(xiàng)目工作重點(diǎn)，也是提高建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)用性、耐久性的關(guān)鍵。剪力墻結(jié)構(gòu)作為目前建筑工程領(lǐng)域中極為常見的一種，在大中型高層建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用極為廣泛，其在提高建筑結(jié)構(gòu)整體性、耐久性方面發(fā)揮著不可替代的作用。

一、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的布置原則及特點(diǎn)

(1)應(yīng)該盡量均勻布置短肢剪力墻，以保證建筑物相一致的質(zhì)心和剛心，在地震中避免發(fā)生扭轉(zhuǎn)。(2) 在間隔墻的交接處主要布置短肢剪力墻，布置豎向構(gòu)件利用間隔墻位置，與建筑使用功能基本上不發(fā)生矛盾。要根據(jù)具體的抗側(cè)力要求進(jìn)行確定墻肢的數(shù)量，不能過少或過多，主要視抗側(cè)力的需要而定，以免結(jié)構(gòu)過柔或者過剛。 (3)當(dāng)建筑物造型不規(guī)則時(shí)或者水平荷載較大時(shí)，為了加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性和滿足結(jié)構(gòu)平面剛度的要求，在邊緣處及平面外各角點(diǎn)應(yīng)該布置短肢剪力墻。(4)在結(jié)構(gòu)布置方面可調(diào)整性及靈活性大，可選擇的方案較多，較易處理樓蓋的支承，使其形成成片的聯(lián)肢抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。

二、民用建筑中的短肢剪力墻技術(shù)

（一）、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

在目前的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，剪力墻的應(yīng)用極為廣泛，特別是在大型的高層建筑物中，其身影更是隨處可見。剪力墻，又稱為抗風(fēng)墻、抗震墻或者結(jié)構(gòu)墻，顧名思義，它在房屋與各大建筑物中主要起著承受風(fēng)荷載，或由于地震作用而引起的水平荷載，為建筑物起著主要的支撐作用。

(1)民用建筑高度要求剪力墻結(jié)構(gòu)震害會(huì)隨著建筑高度的增加而增大，因此要對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)建筑的高度嚴(yán)格限制。

(2)結(jié)構(gòu)布置合理性民用建筑結(jié)構(gòu)的布置要盡量簡潔、規(guī)則，這樣才能保證結(jié)構(gòu)質(zhì)心和剛心接近。對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)而言，要保證剪力墻方案中的墻片大小、墻量多少和布置的合理性，并堅(jiān)持均勻、對(duì)稱和分散的基本原則，墻片不能過長。另外還要控制好剪力墻的間距，并在外縱軸設(shè)置相應(yīng)的開洞剪力墻，這樣才能增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的橫向抗傾覆能力，避免在邊柱的位置產(chǎn)生較大的應(yīng)力。

（二）、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)是底部外圍的小墻肢、建筑物角點(diǎn)處的墻肢以及連梁等構(gòu)件，尤其是發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，建筑物外角點(diǎn)處和邊緣的墻肢就會(huì)首先開裂。對(duì)于層數(shù)較高的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)在地震作用下，將主要發(fā)生彎曲變形，將破壞嚴(yán)重底部外圍的小墻肢，特別是“一”字形小墻肢破壞最嚴(yán)重。由于墻肢剛度相對(duì)減少，在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中，增加連梁受剪破壞的可能性，因此對(duì)這些薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)中更應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)抗震構(gòu)造和概念設(shè)計(jì)措施。在平面上短肢剪力墻結(jié)構(gòu)分布要力求均勻，使建筑物的質(zhì)心和剛度中心盡量接近，以減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。適當(dāng)?shù)脑黾咏ㄖ矫嫱膺吘壖敖屈c(diǎn)處的墻肢厚度，加強(qiáng)墻肢端部的暗柱配筋量，為了提高墻肢的延性和承載力，墻肢截面的軸壓比嚴(yán)格控制。連梁是一個(gè)耗能結(jié)構(gòu)構(gòu)件，高層建筑中連梁的剪切破壞將會(huì)使結(jié)構(gòu)的延性降低，在具體設(shè)計(jì)工作中對(duì)抗震極其不利，應(yīng)進(jìn)行“強(qiáng)剪弱彎”的驗(yàn)算連梁，宜在兩個(gè)方向均有梁與之拉結(jié)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中的短肢剪力墻，在各墻肢的豎平面內(nèi)宜布置連梁，避免采用“一”字形短肢剪力墻，且短肢剪力墻配筋應(yīng)當(dāng)符合相應(yīng)的規(guī)范要求。

三、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算

短肢剪力墻只不過是采用較短的剪力墻肢，屬于剪力墻結(jié)構(gòu)體系，而且通常采用T形、L形、[形、+形等，與普通剪力墻結(jié)構(gòu)其所采用的配筋力式、計(jì)算模型和構(gòu)造要求均相同，一般采用薄壁桿元(TAT)來分析短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，將墻視為薄壁桿件，每端有7個(gè)自由度(比普通桿元多一個(gè)截面翹曲角在每端6個(gè)自由度，即扭轉(zhuǎn)角沿縱軸的導(dǎo)數(shù)) 按矩陣位移法考慮了墻單元非平面變形的影響，形成總剛度矩陣由單元?jiǎng)偠染仃?，引入樓板平面?nèi)剛度無限大。假定未知量減少部分之后求解，它未知量少，適用于各種平面布置，精度較高。但是，由于薄壁桿件理論對(duì)剪切變形的影響沒有考慮，該模型在分析結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜、剪力墻較為低寬 (如有轉(zhuǎn)換層)時(shí)，也存在一些不足。

在處理結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜的問題時(shí)可采用殼元模型分析，但應(yīng)加細(xì)單元的劃分比如設(shè)有轉(zhuǎn)換層的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，通常的處理力法是將電梯間、核心筒等少部分剪力墻落地，其余剪力墻框支框支剪力墻是受力而向受力點(diǎn)過渡，由于薄壁桿件的連接處是點(diǎn)連接，所以用薄壁桿件模型不能很好地處理位移的連續(xù)和力的正確傳遞因此，帶有轉(zhuǎn)換層的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)宜優(yōu)先采用墻元模型軟件(如SATWE)進(jìn)行計(jì)算當(dāng)然，從整體上的內(nèi)力(特別是下部支承柱的內(nèi)力)分布情況來看，如果將剪力墻加以適當(dāng)?shù)奶幚?，還是可以用TAT，TBSA對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算的。

四、短肢剪力墻設(shè)計(jì)過程中需要注意的問題

（一）、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(shí)，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(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制短肢墻的軸壓比，以保證短肢墻的延性。

（二）、短肢剪力墻的各墻肢通過連梁連接，這就增加了墻肢的約束，提高了墻肢和結(jié)構(gòu)的抗震性能。連梁的剛度變化會(huì)影響結(jié)構(gòu)總體抗側(cè)移剛度，合理地選擇梁截面和配筋，也有利于提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。設(shè)計(jì)連梁時(shí)，要遵循強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)柱弱梁的要求，避免連梁剪切破壞過早破壞。隨著連梁剛度的逐漸增大，結(jié)構(gòu)地震作用也會(huì)顯著增大，并最終造成連梁和墻肢內(nèi)力的增大。因此，必須增大構(gòu)件的配筋量，在實(shí)際的工程建設(shè)過程中，最好不要使用窗下墻作為連梁結(jié)構(gòu)，這主要是因?yàn)榇跋聣Φ母叨群艽螅菀自斐蓜偠群艽蟮募羟袎K部分，這非常不利于結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，因此，最好將連梁設(shè)計(jì)成為截面、剛度較小的弱連梁結(jié)構(gòu)。

（三）、應(yīng)采取三維計(jì)算方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析和桿件內(nèi)力計(jì)算。這時(shí)對(duì)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。

（四）、小高層住宅在設(shè)計(jì)時(shí)，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，宜將連粱設(shè)計(jì)成為截面、剛度較小的弱連梁。

結(jié)束語

總之，科技進(jìn)步一日千里，新型墻體的材料不斷出現(xiàn)也推動(dòng)了短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步應(yīng)用，這一結(jié)構(gòu)在建筑市場仍有著廣闊的前景。設(shè)計(jì)工作者應(yīng)在充分結(jié)合實(shí)踐的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出性能更優(yōu)#更經(jīng)濟(jì)的建筑。

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