鋼筋混凝土剪力墻錯層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

吳金祥

摘要：隨著人們生活水平不斷提高，對居住環(huán)境的要求越來越高，錯層式住宅以其空間高低錯落有致、使用合理、居住舒適等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到人們的青睞，這種錯層式住宅多采用剪力墻結(jié)構(gòu)。錯層剪力墻結(jié)構(gòu)使剪力墻形成錯洞墻，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度不規(guī)則，對結(jié)構(gòu)抗震有不利影響，尤其對平面不規(guī)則和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)顯著的錯層結(jié)構(gòu)破壞特別嚴(yán)重。本文主要對鋼筋混凝土剪力墻錯層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討，希望對相關(guān)人士有所幫助。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土、高層建筑、錯層剪力墻、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一、前言

高層建筑的剪力墻錯層結(jié)構(gòu)空間變化豐富、層次感較強(qiáng)，極大地滿足了人們的心理要求，這些年來錯層剪力墻結(jié)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用，但因其結(jié)構(gòu)對抗震有著不利的影響而使用范圍受限，使得人們對其結(jié)構(gòu)的發(fā)展提出了新的要求。對于高層住宅錯層剪力墻結(jié)構(gòu)，首先應(yīng)確定適合的性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)，為滿足性能化目標(biāo)在各階段的要求，采取合理的計(jì)算程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的分析，包括整體彈性分析、彈性動力時程分析和重要構(gòu)件的中震不屈服分析，這些分析的結(jié)果又用于控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步設(shè)計(jì)，同時采取合理的抗震構(gòu)造措施，使整個結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范的要求。

二、高層建筑錯層剪力墻結(jié)構(gòu)概述

剪力墻是一種工程常見結(jié)構(gòu)體系，由于建筑功能要求，剪力墻常有不規(guī)則的門窗洞口，這樣布置洞口就把一個單肢分成了不規(guī)則單（多）肢錯層剪力墻，這些不規(guī)則錯層對剪力墻構(gòu)件的有效剛度存在較大影響。剪力墻的性能取決于兩個方面：第一，組成剪力墻的墻肢的強(qiáng)弱；第二，各墻肢之間聯(lián)系的強(qiáng)弱。若墻肢本身是弱的，那么即使它們之間的聯(lián)系很強(qiáng)，即連梁的線剛度很大，整個結(jié)構(gòu)的性能是弱的，體現(xiàn)出強(qiáng)梁弱墻式的性能，整體性不好；相反若墻肢是強(qiáng)的，但是它們之間的聯(lián)系很弱，結(jié)構(gòu)相當(dāng)于用若干根桿件聯(lián)系幾片懸臂墻，整體性仍然不好。隨著人民生活水平的提高，民眾對居住環(huán)境的要求也越來越高。錯層式住宅有著空間高低錯落有致，使用合理，居住舒適等優(yōu)點(diǎn)，被越來越多的采用。這種錯層式住宅多采用剪力墻結(jié)構(gòu)。錯層剪力墻結(jié)構(gòu)使剪力墻形成錯洞墻，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度不規(guī)則，對結(jié)構(gòu)抗震有不利影響，尤其對平面不規(guī)則和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)顯著的錯層結(jié)構(gòu)破壞特別嚴(yán)重。JGJ3-2002《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》建議在抗震設(shè)計(jì)時高層建筑宜避免錯層，同時也對錯層結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，建模計(jì)算以及抗震構(gòu)造措施等設(shè)計(jì)方法。

三、剪力墻設(shè)計(jì)的基本概念

1、剪力墻高和截面高度尺寸較大但截面厚度較小，幾何特征像板，受力形態(tài)接近于柱，而與柱的區(qū)別主要是其截面高度與厚度的比值。

2、剪力墻結(jié)構(gòu)中，墻是平面構(gòu)件，除承受水平剪力和彎矩外，還承擔(dān)豎向壓力；在軸力，彎矩，剪力的復(fù)合狀態(tài)下工作，其受水平力作用下似底部嵌固于基礎(chǔ)上的懸臂深梁。在地震作用或風(fēng)載下剪力墻除需滿足剛度強(qiáng)度要求外，還必須滿足非彈性變形反復(fù)循環(huán)下的延性、能量耗散和控制結(jié)構(gòu)裂而不倒的要求；墻肢必須能防比墻體發(fā)生脆性剪切破壞，因此注意盡量將剪力墻設(shè)計(jì)成延性彎曲型。

3、墻的設(shè)計(jì)計(jì)算是考慮水平和豎向作用下進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析，求得內(nèi)力后按偏壓或偏拉進(jìn)行正截面承載力和斜截面受剪承載力驗(yàn)算。

4、為了保證墻體的穩(wěn)定性及便于施工，使墻有較好的承載力和地震作用下耗散能力。

四、高層結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)及影響因素分析

1、受力特點(diǎn)

（1）錯層框架結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)

錯層框架結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)的相比主要由于在錯層處錯開的樓層導(dǎo)致了在結(jié)構(gòu)的一些部位形成豎向的短構(gòu)件，使受力集中，不利于抗震。主要的原因可能是在同向受力中由于錯層構(gòu)件剛度大，而產(chǎn)生內(nèi)力集中。在錯層結(jié)構(gòu)中，短柱問題應(yīng)該得到足夠的重視。

（2）錯層框架剪力墻結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)

錯層框架剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻承擔(dān)了水平力中的一大部分，特別是在地震作用下，錯層框架剪力墻結(jié)構(gòu)有兩道設(shè)防線，能夠較好地改善錯層結(jié)構(gòu)的受力性能。

2、影響因素分析

（1）水平荷載成為決定因素

一方面，因?yàn)闃欠孔灾睾蜆敲媸褂煤奢d在豎向構(gòu)件中所引起的軸力合彎矩的數(shù)值，僅與樓房高度的一次方成正比；而水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩以及由此在豎向構(gòu)件中引起的軸力，是與樓房高度的二次方成正比；另一方面，對某一定高度的樓房來講，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用，其數(shù)值則隨結(jié)構(gòu)動力特性的不同而有較大幅度的變化。

（2）軸向變形不容忽視

與低層或多層建筑不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，隨著建筑高度增加，水平荷載作用下結(jié)構(gòu)側(cè)向變形迅速增大，結(jié)構(gòu)側(cè)移與高度呈現(xiàn)四次方關(guān)系上升。

（3）抗震設(shè)計(jì)要求更好

在高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防設(shè)計(jì)時，要考慮正常使用時的豎向荷載、風(fēng)荷載，還必須使建筑結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，做到小震不壞、中震可修、大震不倒。

五、錯層剪力墻結(jié)構(gòu)在高層中的應(yīng)用的相關(guān)研究

研究表明，對于錯層結(jié)構(gòu)，一般認(rèn)為其不利的因素主要源于兩個方面：一是由于樓板被分成數(shù)塊，且相互錯置，在錯層構(gòu)件中產(chǎn)生很大的變形和內(nèi)力，削弱了樓板協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)整體受力的能力；二是由于樓板錯層，使得錯層交接部位形成豎向短構(gòu)件，可能在同向受力中因錯層構(gòu)件剛度大而產(chǎn)生內(nèi)力幾種，不利于抗震。短構(gòu)件問題主要是針對多層框架結(jié)構(gòu)，其不利于抗震的震害表現(xiàn)也多出現(xiàn)在多層框架中。對于以剪力墻為主要受力構(gòu)件的高層住宅，規(guī)則的錯層對結(jié)構(gòu)受力的影響有限，影響主要在于兩側(cè)有錯層連梁相連的墻體。結(jié)構(gòu)的錯層會增大結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，錯層構(gòu)件在結(jié)構(gòu)整體中所占的比例越大，則整體側(cè)向剛度增加幅度越大，但剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度增加的幅度相比于框架結(jié)構(gòu)要小。相互錯層的相鄰樓板僅由中間的錯層柱或墻相聯(lián)系，相比較平面剛度極大的樓板，錯層柱或墻的彎剪剛度是個極小值，當(dāng)結(jié)構(gòu)受力時，結(jié)構(gòu)兩部分將產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形，可能會在錯層柱或墻中形成較大的內(nèi)力，錯層柱或墻的受力與兩部分的均與性有關(guān)。錯層剪力墻結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究表明，由于錯層剪力墻結(jié)構(gòu)整體成彎曲破壞，根據(jù)振動臺試驗(yàn)和靜力試驗(yàn)破壞結(jié)果，錯層剪力墻結(jié)構(gòu)與一般剪力墻結(jié)構(gòu)無大的區(qū)別。由此可知，錯層對剪力墻結(jié)構(gòu)體系的影響有限，錯層剪力墻結(jié)構(gòu)通過結(jié)構(gòu)的合理布置和構(gòu)造措施的加強(qiáng)，可以滿足抗震設(shè)計(jì)的要求。

六、結(jié)束語

錯層式剪力墻結(jié)構(gòu)在高層住宅中被越來越多的開發(fā)商所采用，其優(yōu)點(diǎn)是合理的利用不同的層高來滿足不同的使用功能對空間的要求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將會越來越趨于科學(xué)合理，也將給建筑工程的 發(fā)展增添更加強(qiáng)大的動力。

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