小高層住宅短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

何耀宇

摘要：隨著小高層住宅建設(shè)的發(fā)展，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用。文章介紹了短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)布置，論述了短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析和設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題及短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：小高層住宅；短肢剪力墻；結(jié)構(gòu)布置；計(jì)算分析

1 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)

隨著社會(huì)的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)水平的提高，住房條件的改善，逐漸興起許多小高層住宅的建設(shè)，其中有大量11層、12層的小高層住宅，短肢剪力墻正廣泛應(yīng)用于小高層住宅建筑中。 鋼筋混凝土短肢剪力墻是剪力墻體系中的一種，是指肢長和厚度比在5～8之間的剪力墻，通常采用T形、L形、Z形等形式，偶爾也采用十形和一形。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)既保留了異形柱不凸出墻面的優(yōu)點(diǎn)，又克服了異形柱框架抗震性能不理想等缺點(diǎn)。

短肢剪力墻可結(jié)合建筑平面，利用間隔墻位置來布置豎向構(gòu)件，基本不與建筑使用功能發(fā)生矛盾；墻的數(shù)量可多可少，肢可長可短，主要視抗側(cè)力的需要而定，還可通過不同的尺寸和布置以調(diào)整剛度和剛度中心的位置；能靈活布置，可選擇的方案較多，較易處理樓蓋的支承；連結(jié)各墻的梁，亦隨墻肢位置而位于間隔墻豎平面內(nèi)，屬于隱蔽型；視建筑平面及抗側(cè)力的需要，把中心豎向交通區(qū)處理成筒體或短肢剪力墻；短肢剪力墻的短墻肢雖然同異形柱框經(jīng)結(jié)構(gòu)體系的異形柱一樣截面抗扭不利，但由于其墻肢較長，受力接近剪力墻的墻肢，結(jié)構(gòu)體系趨于合理。

此種體系同樣適用于單元式高層住宅。由于上述特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)布置方面靈活性及可調(diào)整性大，因此容易得出合理的結(jié)構(gòu)方案。因此，由于它的靈活性較大，隨之結(jié)構(gòu)布置也可能有較大的差別，從而導(dǎo)致有不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果。

2 短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)布置

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的一般布置原則：短肢墻的數(shù)量應(yīng)當(dāng)適中，滿足豎向荷載和抗側(cè)力需要即可；短肢墻應(yīng)盡量均勻分布，其軸向應(yīng)力不應(yīng)相差懸殊；當(dāng)有抗震要求或風(fēng)力較大或平面凹凸較多時(shí)，在平面外邊緣及角點(diǎn)處，特別是外凸部分，布置必要的短肢墻以加強(qiáng)其整體性和滿足平面剛性的要求；各短肢墻應(yīng)盡量對齊、拉直，使之與連梁一起構(gòu)成較規(guī)整且連續(xù)跨數(shù)較多的抗側(cè)力片，當(dāng)不能完全做到時(shí)也允許局部互相錯(cuò)開；每道短肢墻宜與兩個(gè)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，盡量不凸出或少凸出間隔墻表面，但亦不應(yīng)太薄以導(dǎo)致穩(wěn)定性差和施工困難，以采用200，250或300為宜；可以混合布置部分較長的墻或矩形柱；在抗震設(shè)計(jì)中，筒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%。

這類結(jié)構(gòu)體系通常利用中部由樓梯、電梯及豎向管道等形成的豎向交通區(qū)設(shè)置較多的剪力墻，組成一個(gè)較完整或基本完整的筒體（整幢建筑承受豎向荷載和抗側(cè)力的主要部分。）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(gè)整體，構(gòu)成整幢建筑的結(jié)構(gòu)體系。

3 短肢剪力墻的計(jì)算分析

對于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系的理論以及實(shí)驗(yàn)研究主要都是以分析結(jié)構(gòu)的整體性能為主，從力學(xué)性能而言，短肢剪力墻更接近于剪力墻，應(yīng)按剪力墻進(jìn)行計(jì)算而不宜按照扁柱計(jì)算。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)宜采用三維空間分析模型進(jìn)行分析，通過靜力彈塑性分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。

對于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算通常有TBSA、TAT、SATWE等軟件，前兩者均采用的是開口薄壁桿件計(jì)算模型，其中梁柱為普通空間桿件，每端有6個(gè)自由度，墻體視為薄壁桿件，每端有7個(gè)自由度?？紤]了墻單元的非平面變形的影響，按矩陣位移法由單元?jiǎng)偠染仃囆纬煽偟膭偠染仃?，引入樓板平面?nèi)剛度無限大的假定減少部分未知量來求解的，它的計(jì)算模型是空間桿-薄壁桿系模型。它適用于各種平面布置，未知量少，精度較高。運(yùn)算速度較墻元模型的軟件快很多，但是，薄壁桿件模型在分析剪力墻較為低寬、結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜（如有轉(zhuǎn)換層）時(shí)，也存在一些不足，主要是薄壁桿件理論沒有考慮剪切變形的影響，當(dāng)結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜時(shí)變形不協(xié)調(diào)。

而SATWE采用的是板殼計(jì)算模型，SATWE借鑒了SAP84的墻元概念，在節(jié)點(diǎn)等參殼元的基礎(chǔ)上，采用靜力凝聚原理構(gòu)造了一種通用墻元來模擬剪力墻，其特點(diǎn)是用每一個(gè)節(jié)點(diǎn)6個(gè)自由度的殼元來模擬剪力墻單元，剪力墻既有平面內(nèi)的剛度，又有平面外的剛度。所以樓板既可以按彈性樓板考慮又可以按剛性樓板考慮，對于短肢剪力墻來說是接近于實(shí)際情況的。

同濟(jì)大學(xué)的模擬地震振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)表明，利用SATWE軟件中的殼元來模擬，同時(shí)采用彈性樓板假定考慮大開間中樓板對抗側(cè)剛度的貢獻(xiàn)，可以合理地計(jì)算高層大開間剪力墻結(jié)構(gòu)體系，計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近。

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

①要嚴(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，現(xiàn)行規(guī)范也強(qiáng)調(diào)了這一點(diǎn)。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。因此規(guī)范引入剪力墻的變形能力要求，并從變形能力出發(fā)規(guī)定了軸壓比限值，同時(shí)提出了按混凝土壓應(yīng)變大小設(shè)置的約束邊緣構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法，這是十分必要的，只有這樣才能保證短肢墻的延性。

②應(yīng)采取三維計(jì)算方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析和桿件內(nèi)力計(jì)算。這時(shí)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短肢墻結(jié)構(gòu)不宜做得太高。短肢剪力墻住宅結(jié)構(gòu)體系大多數(shù)是每層6～8戶，各住宅單元置疑中部筒體呈環(huán)抱狀布置，整個(gè)結(jié)構(gòu)基本對稱，多為20～30層；當(dāng)受用地限制時(shí)，每層3～4戶，通常布置在筒體的三邊，層數(shù)多為12～20層。

5 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(shí)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。

6 結(jié)語

隨著小高層建筑的逐漸發(fā)展和人們對住宅使用功能要求的逐步提高，由于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)可以靈活布置，墻肢可長可短，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)，因此在設(shè)計(jì)中根據(jù)其受力的特點(diǎn)，充分掌握和了解其受力特點(diǎn)和破壞機(jī)理后，并選擇合理的布置形式，正確掌握計(jì)算分析方法，它將在多、高層的住宅中有著廣闊的發(fā)展前景。