剪力墻配筋結(jié)果異常的分析及解決方案

朱正洋

(上海市政交通設(shè)計研究院有限公司，上海 200030)

0 引言

剪力墻在高層建筑結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用，其截面形式一般有矩形、T形、L形以及兩端帶翼緣(或端柱)的復(fù)雜截面等;其截面厚度最小160 mm，最大可達(dá)到1.5 m;其截面高厚比一般大于4(小于4的按柱設(shè)計)，截面長度不宜大于8 m，墻段的高度與長度之比不宜小于3。結(jié)構(gòu)軟件一般對剪力墻采用細(xì)分的殼單元模擬計算，墻肢與墻肢之間、墻與其他桿件之間變形協(xié)調(diào)，其內(nèi)力、位移、地震計算等都可得到理想的結(jié)果。在墻截面配筋設(shè)計環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的配筋采用“分段式配筋方式”，該方法不盡合理，一方面在某些情況下配筋不夠，另一方面在很多情況下又造成配筋過大的不經(jīng)濟(jì)的計算結(jié)果［1］。YJK軟件在總結(jié)該配筋方式的不足之后，于是做了改進(jìn)，增加了剪力墻的自動組合截面配筋計算方法，即墻柱配筋設(shè)計時考慮端柱和翼緣。

然而在剪力墻截面配筋設(shè)計時，還經(jīng)常存在如圖1所示的帶端柱和短翼緣的截面形式。這些截面在配筋時經(jīng)常超筋或者配筋面積過大，導(dǎo)致設(shè)計時難以實現(xiàn)。針對以上情況，分析其原因，并給出解決方案。

圖1 帶端柱和短翼緣的剪力墻截面

1 基本原因分析與解決方案

1.1 一側(cè)帶端柱的剪力墻截面

如圖1a)形式的剪力墻，在墻肢出現(xiàn)偏拉受力時出現(xiàn)配筋過大的情況。該組合剪力墻截面的實際受力情況是一個偏壓構(gòu)件，帶端柱一側(cè)是受壓區(qū)，其截面極限應(yīng)力狀態(tài)如圖2所示。而軟件按墻、柱分別計算，柱是一個偏壓構(gòu)件，墻是一個偏拉構(gòu)件，如圖3所示。按偏拉構(gòu)件計算的剪力墻配筋明顯大于偏壓構(gòu)件的剪力墻配筋。

該截面形式的剪力墻為單軸對稱的截面形式，而且端柱的截面面積明顯大于剪力墻一側(cè)的暗柱面積，應(yīng)該按考慮端柱的非對稱配筋的截面計算。可參考JGJ 3—2010第7.2.8條，按T形偏心受壓剪力墻墻肢進(jìn)行正截面受壓承載力計算。方程有As，A's和受壓區(qū)高度x三個未知數(shù)，補充As+A's面積最小的條件，即充分考慮受壓區(qū)混凝土的作用，取x=xbh0代入方程，編制Excel表格計算。

圖2 一側(cè)帶端柱的剪力墻截面端柱側(cè)受壓的極限應(yīng)力狀態(tài)

圖3 程序按墻和柱單獨計算時應(yīng)力狀態(tài)

1.2 一側(cè)帶短翼緣的剪力墻截面

如圖1c)，圖1e)形式的剪力墻，在短翼緣側(cè)會出現(xiàn)配筋過大而導(dǎo)致縱筋無法排布的情況。該組合剪力墻截面的實際受力情況是一個偏壓構(gòu)件，帶翼緣一側(cè)有位于受拉區(qū)和受壓區(qū)兩種情況，其截面極限應(yīng)力狀態(tài)如圖4所示。

圖4 一側(cè)帶短翼緣的剪力墻截面極限應(yīng)力狀態(tài)

而軟件按縱、橫向一字墻肢分別計算。當(dāng)短翼緣位于受壓區(qū)時，由于軟件按一字墻正截面偏壓承載力計算時鋼筋的合力點位置取在暗柱中心位置，造成鋼筋合力點力臂偏短，配筋偏大。而對于短翼緣一字墻，實際設(shè)計時已經(jīng)合并為一個暗柱，按兩端各有一個暗柱的計算假定已不合適。如果不考慮按組合墻設(shè)計時，可調(diào)整鋼筋合力點到邊緣的距離as，a's，編制Excel表格計算。與計算假定相吻合，在設(shè)計時將該翼緣的縱筋布置在剪力墻的端部，即設(shè)計成單排或雙排等，確定縱筋形心位置。如果考慮調(diào)整as，a's后配筋仍偏大，再按組合墻進(jìn)行配筋，其計算方式同1.1節(jié)當(dāng)短翼緣位于受拉區(qū)時，一字墻按偏拉構(gòu)件計算，配筋值明顯過大而導(dǎo)致縱筋無法排布，此時需考慮按組合墻非對稱配筋進(jìn)行設(shè)計。

1.3 兩側(cè)帶端柱的剪力墻截面

如圖1b)形式的剪力墻，常在框剪結(jié)構(gòu)中應(yīng)用，此種形式的剪力墻通常配筋也會偏大。圖5為框剪結(jié)構(gòu)中一種常見的結(jié)構(gòu)布置，軟件在計算時將墻柱分開計算，一方面端柱與梁相連的一端承受彎矩M1，由于計算單元的局限性，端柱與墻相連的一側(cè)沒有彎矩，導(dǎo)致端柱在沿墻肢方向的彎矩較大，從而出現(xiàn)較大的配筋;另一方面，單獨計算的墻肢在偏拉狀態(tài)下也會產(chǎn)生較大的配筋。兩者的配筋面積再疊加，導(dǎo)致計算面積偏大。對于此種情況，在計算時可以考慮按兩端帶端柱的組合剪力墻截面進(jìn)行設(shè)計，對稱配筋。組合墻只承受沿墻肢方向的彎矩，其內(nèi)力取兩端柱和墻肢的合力。

剪力墻內(nèi)力組合，其計算原理如下:

式中:N1，N2，…，Nn——墻肢 1，2，…，n 的軸力;

M1，M2，…，Mn——墻肢 1，2，…，n 的平面內(nèi)的彎矩;

x1，x2，…，xn——墻肢 1，2，…，n 至組合墻形心的距離。

圖5 剪力墻兩側(cè)端柱與梁相連

1.4 兩側(cè)帶短翼緣的剪力墻截面

如圖1d)，圖1f)形式的剪力墻，其配筋偏大的原因和解決方案與1.2的情況基本一致，只是在配筋計算時可按照對稱配筋計算。

2 算例

2.1 兩側(cè)帶端柱的剪力墻截面

截面簡圖如圖5所示，DZ1和DZ2為800 mm×800 mm的柱，Q1截面尺寸為b×h=400 mm×8 400 mm，混凝土強(qiáng)度C50，鋼筋等級HPB400，豎向分布筋配筋率為0.6%，抗震等級為二級，為底部加強(qiáng)區(qū)墻柱。

2.2 兩側(cè)帶短翼緣的剪力墻截面

上翼緣，b'f×h'f=200 mm ×600 mm;下翼緣，b'f×h'f=200 mm×600 mm;腹板墻肢厚b=200 mm，墻肢高h(yuǎn)=4 400 mm。按程序(分段式)配筋時，上翼緣內(nèi)力 N1=784 kN(－)，M1=110 kN·m;中間腹板內(nèi)力N1=2 000 kN(+)，M1=8 000 kN·m。因為短翼緣的墻肢較短，其內(nèi)力忽略不計，計算組合墻內(nèi)力時取腹板內(nèi)力。實際配筋如圖6所示。

圖6 兩端帶短翼緣截面簡圖和實際配筋詳圖

表1 兩種配筋方式配筋面積比較

表2 剪力墻考慮翼緣時的配筋面積 mm2

從表1，表2和圖6可以看出，按本文提出的方法可以減少文中所提到的幾種剪力墻的配筋。文中所提方法簡單、易行，可以在設(shè)計中使用。

3 結(jié)語

對一些特殊的剪力墻結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的“分段式配筋方式”在設(shè)計過程中有時會造成不合理，不經(jīng)濟(jì)的情況。當(dāng)計算結(jié)果出現(xiàn)異常時，設(shè)計人員要進(jìn)行科學(xué)分析，合理判斷，找出原因，并運用專業(yè)知識給出合理的解決方案。本文所論述的問題和方法可為同類設(shè)計問題提供參考。