轉(zhuǎn)換構(gòu)件上部一層剪力墻超筋現(xiàn)象分析

張海永，鐘玉斌

(中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶400039)

轉(zhuǎn)換構(gòu)件上部一層剪力墻超筋現(xiàn)象分析

張海永，鐘玉斌

(中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶400039)

通過(guò)對(duì)部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，總結(jié)了轉(zhuǎn)換構(gòu)件上一層剪力墻超筋的現(xiàn)象，并分析了發(fā)生此現(xiàn)象的原因。該文研究歸納了結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)避免轉(zhuǎn)換構(gòu)件上一層剪力墻超筋的方法，進(jìn)而總結(jié)了此類(lèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取的加強(qiáng)措施。

剪力墻超筋；轉(zhuǎn)換構(gòu)件；Satwe；計(jì)算模型；配筋率；超筋現(xiàn)象

1 概述

在進(jìn)行帶托墻轉(zhuǎn)換層的剪力墻結(jié)構(gòu)（部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)）計(jì)算時(shí)，很容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)換構(gòu)件之上一至二層剪力墻（特別是較短墻肢）和連梁超筋的現(xiàn)象。

剪力墻超筋分三種情況：（1）剪力墻暗柱超筋：Satwe軟件給出的暗柱最大配筋率是按照5%控制的，而各規(guī)范均要求剪力墻主筋的配筋面積以邊緣構(gòu)件方式給出，沒(méi)有最大配筋率。所以程序給出的剪力墻超筋是警告信息，設(shè)計(jì)人員可以酌情考慮。（2）剪力墻水平筋超筋（即剪壓比超限）則說(shuō)明該墻肢截面抗剪不夠，應(yīng)予以調(diào)整[1]。（3）剪力墻連梁超筋大多數(shù)情況下是在水平地震力作用下抗剪不夠。規(guī)范中規(guī)定允許對(duì)剪力墻連梁剛度進(jìn)行折減，折減后的剪力墻連梁在地震作用下基本上都會(huì)出現(xiàn)塑性變形，即連梁開(kāi)裂[2]。

2 轉(zhuǎn)換構(gòu)件上部一層剪力墻超筋的原因分析

軟件根據(jù)內(nèi)力來(lái)計(jì)算配筋一般都不會(huì)有問(wèn)題，問(wèn)題主要出現(xiàn)在如何求出這個(gè)內(nèi)力。即這個(gè)內(nèi)力是由什么引起的，是豎向力還是水平力。

造成轉(zhuǎn)換構(gòu)件上一層剪力墻超筋的一個(gè)原因，是帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑在轉(zhuǎn)換構(gòu)件上下剪力分配存在很大的突變，而且轉(zhuǎn)換層位置越高，突變?cè)矫黠@。這是水平力，但這個(gè)因素只能使轉(zhuǎn)換構(gòu)件上一層剪力墻配筋略有增大。

造成這個(gè)現(xiàn)象的主要原因，是計(jì)算軟件的變形協(xié)調(diào)原理[3]。在豎向力作用下，框支梁沿跨度方向的豎向變形不同，越靠近跨中豎向變形越大（變形大小只是相對(duì)的），使墻肢有傾斜的趨勢(shì)；同時(shí)轉(zhuǎn)換構(gòu)件以上樓層的梁板對(duì)剪力墻產(chǎn)生水平方向的約束作用，阻止上部墻肢傾斜。因此，在框支梁和剪力墻的接觸面產(chǎn)生了剪力，這種剪力屬于內(nèi)力，是由豎向力引起，并非外水平力分配后造成的（特別是6度區(qū)的水平力相對(duì)較小）。這種剪力的大小主要由計(jì)算軟件中框支梁與墻變形協(xié)調(diào)能力決定，單元類(lèi)型越精確，單元?jiǎng)澐衷骄?xì)，剪力越小。

進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，單元類(lèi)型從粗糙到精確依次為：桿單元（梁?jiǎn)卧?、平面殼單元、空間實(shí)體單元。桿單元最為簡(jiǎn)單也最為粗糙，它僅在有限的幾個(gè)點(diǎn)與剪力墻協(xié)調(diào)受力；平面殼單元忽略了平面外的影響；空間應(yīng)力分析采用了空間實(shí)體單元，可以取得接近實(shí)際值的結(jié)果。

一些文獻(xiàn)[4]對(duì)轉(zhuǎn)換構(gòu)件上一層剪力墻（或柱）進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：（1）梁托柱時(shí)框支梁用梁?jiǎn)卧蛻?yīng)力分析結(jié)果相差不大；（2）梁托墻時(shí)框支梁用梁?jiǎn)卧?jì)算的彎矩、剪力比應(yīng)力分析結(jié)果大5～20倍，可見(jiàn)梁托墻需進(jìn)行應(yīng)力分析并校核配筋；（3）梁托滿(mǎn)跨墻時(shí)“拱”效應(yīng)明顯，框支梁甚至不出現(xiàn)壓應(yīng)力，中和軸移至剪力墻中；（4）梁托部分長(zhǎng)墻（墻體部分落在柱上）時(shí)的框支梁的中和軸上移，墻梁相接處應(yīng)力集中；（5）框支梁之上一至二層的剪力墻應(yīng)力分布較為復(fù)雜，拉、壓應(yīng)力區(qū)域分布和大小都很難總結(jié)出統(tǒng)一的規(guī)律。

至于空間應(yīng)力分析工具的選擇，依個(gè)人的喜好和熟練程度而定，etabs、sap2000、midas均可以，但是這樣做需要付出相當(dāng)多的工作量和軟硬件成本。

我們經(jīng)常使用的軟件Satwe，它用桿單元模擬梁、柱，用平面殼元模擬剪力墻，肯定有較大失真。梁與墻通過(guò)若干節(jié)點(diǎn)連接，模擬梁墻的協(xié)調(diào)受力。在進(jìn)行剪力墻網(wǎng)格劃分時(shí)自動(dòng)將與其連接的框支梁分成幾段，在每一小段梁的端點(diǎn)處與墻連接，來(lái)實(shí)現(xiàn)墻對(duì)梁的傳力。因此，Satwe計(jì)算時(shí)，“墻元細(xì)分最大控制長(zhǎng)度”越小，框支梁上一層剪力墻內(nèi)力越小。

3 轉(zhuǎn)換構(gòu)件上部一層剪力墻超筋的處理方法

在進(jìn)行部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，可以采取以下方法來(lái)緩解甚至解決轉(zhuǎn)換構(gòu)件上一層剪力墻超筋現(xiàn)象。

方法一：適當(dāng)加大框支梁剛度，比如層高允許的話(huà)可以適當(dāng)減小梁寬、增加梁高，這樣可以在相同混凝土用量下獲得較大的抗彎剛度，梁縱筋也有所減小。

方法二：在轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)布置時(shí)，盡量避免相鄰較近的兩片墻一片落在硬支座（框支柱）上而另一片落的軟支座（框支梁）上，不能避免時(shí)應(yīng)盡量加大兩者的距離。

方法三：剪力墻最好位于框支梁跨中部位，或位于柱上時(shí)墻中心應(yīng)盡量對(duì)齊柱中心，盡量避免同一片墻一端落在硬支座（框支柱）上而另一端落的軟支座（框支梁）上，不能避免時(shí)應(yīng)盡量減小落在軟支座上的長(zhǎng)度。

方法四：落地剪力墻的對(duì)稱(chēng)布置有助于結(jié)構(gòu)受力均勻，從而減小轉(zhuǎn)換層附近的受力復(fù)雜程度[5]。

以上四個(gè)方法對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)都是很有利的措施，但只能一定程度上緩解轉(zhuǎn)換層上一層剪力墻超筋現(xiàn)象。

方法五：Satwe“總信息”中“墻元細(xì)分最大控制長(zhǎng)度”改?。J(rèn)為1m），能夠部分緩解超筋情況。但是計(jì)算較大的結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)硬件要求較高。

算例：某32層轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，第4層為轉(zhuǎn)換層，6度0.5g，考察圖1中所示梁托部分長(zhǎng)剪力墻JLQ1，墻截面為200×1700。該框支梁KZL1跨度10.3m，截面尺寸1200×2000，轉(zhuǎn)換層上部樓層層高均為3m。使用Satwe計(jì)算，當(dāng)墻元細(xì)分長(zhǎng)度取值不同時(shí)，所得結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明，框支梁及其上一層的剪力墻內(nèi)力的控制工況為豎向荷載。

圖1 框支梁上剪力墻示意圖

表1 恒載作用下上層墻的最大內(nèi)力

由表1可知，墻元細(xì)分長(zhǎng)度越小，框支梁上一層剪力墻的軸力、剪力及彎矩都會(huì)減小。

方法六：計(jì)算模型中把框支梁的梁高加大到足夠大（比如梁高取4m），作為專(zhuān)門(mén)對(duì)轉(zhuǎn)換構(gòu)件上一層剪力墻的計(jì)算。采用方法五的例子中模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果列于表2中。

由表2可知，把框支梁的梁高加大到足夠大時(shí)，框支梁上一層剪力墻的軸力、剪力及彎矩都會(huì)大幅減小，可以比較好地解決轉(zhuǎn)換構(gòu)件上一層剪力墻超筋的現(xiàn)象。

4 結(jié)論及設(shè)計(jì)建議

表2 恒載作用下上層墻的最大內(nèi)力

以上分析表明，在進(jìn)行部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱部位應(yīng)該采取相關(guān)的加強(qiáng)措施。

在豎向及水平荷載作用下，框支梁上部的墻體在多個(gè)部位會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，這些部位的剪力墻容易發(fā)生破壞，因此《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(下稱(chēng)《高規(guī)》）10.2.2條規(guī)定轉(zhuǎn)換層以上兩層為剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)。另外，《高規(guī)》10.2.19條及10.2.22條對(duì)這些部位的剪力墻規(guī)定了多項(xiàng)加強(qiáng)措施。

使用Satwe計(jì)算是不能判定應(yīng)力集中部位的，因此框支梁之上兩層剪力墻配筋應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)?！陡咭?guī)》10.2.19條規(guī)定，部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)中，底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻的水平、豎向分布鋼筋最小配筋率，抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)小于0.3%，那就把最小值取到0.35%或者0.4%；當(dāng)抗震等級(jí)為特一級(jí)時(shí)，規(guī)范規(guī)定最小配筋率為0.4%，建議取值要略大于0.4%。

圖2 框支梁上部墻體加強(qiáng)配筋示意圖

為滿(mǎn)足《高規(guī)》10.2.22-3條的要求，根據(jù)《2009全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施-結(jié)構(gòu)（混凝土結(jié)構(gòu)）》中相關(guān)規(guī)定[6]，如圖2所示，框支柱上剪力墻的約束邊緣構(gòu)件的配筋率應(yīng)適當(dāng)提高；柱邊0.2寬度范圍內(nèi)的墻體豎向分布鋼筋及框支梁上方高度范圍內(nèi)的墻體水平分布鋼筋，均應(yīng)比區(qū)段外相應(yīng)鋼筋間距加密一倍。

[1]中國(guó)建筑科學(xué)研究院.JGJ3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]丁永君，付春兵.關(guān)于剪力墻連梁中若干問(wèn)題的探討[J].建筑結(jié)構(gòu).2013(S1):633-636.

[3]崔大光.型鋼混凝土梁柱框支剪力墻抗震性能研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué)，2006.

[4]劉建偉.框支剪力墻結(jié)構(gòu)合理破壞機(jī)制及控制措施研究[D].重慶:重慶大學(xué)，2011.

[5]方鄂華.高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[6]中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施(2009)-結(jié)構(gòu)（混凝土結(jié)構(gòu)）[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2012.

責(zé)任編輯：孫蘇

On Excessive Reinforced Shear-walls of Structural Transfer Members

Based on calculation and analysis on partial frame-supported shear-wall structures,the phenomenon of excessive reinforced shear-walls of structural transfer members is summarized and the causes of this phenomenon are analyzed.Also,methods to avoid this phenomenon are presented with some corresponding improvement measures summarized for reference.

excessive reinforced shear-wall;structural transfer member;Satwe;calculation modeling;reinforcement ratio;excessive steel bar phenomenon

TU973文獻(xiàn)標(biāo)記碼：A

1671-9107（2014）11-0065-02

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.11.065

2014-10-16

張海永(1986-)，男，河北黃驊人，研究生，助理工程師，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。