短肢剪力墻在民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用分析

楊健

（華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

短肢剪力墻是民用建筑中常見的結(jié)構(gòu)。為了提高建筑物的抗震性能，設(shè)計(jì)者必須使用短肢剪力墻降低結(jié)構(gòu)重量，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求標(biāo)準(zhǔn)，使短肢剪力墻結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中廣泛使用[1]。設(shè)計(jì)科學(xué)的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，進(jìn)行力學(xué)性能分析，有效改善建筑設(shè)計(jì)，積極把握關(guān)鍵點(diǎn)[2]。它可以促進(jìn)短肢剪力墻在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的有效應(yīng)用。在民用建筑設(shè)計(jì)中，建筑設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須協(xié)調(diào)一致[3]。建筑設(shè)計(jì)的布局必須靈活，開放和深度的尺寸必須合理，人們的生活要求必須得到滿足[4]；結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)符合強(qiáng)度要求，以確保結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。由于短肢剪力墻可以顯著提高建筑結(jié)構(gòu)的橫向剛度，因此在民用建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。為了促進(jìn)我國建筑設(shè)計(jì)水平的提高，我們應(yīng)該研究短肢剪力墻在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的合理應(yīng)用。

1 短肢剪力墻的特點(diǎn)

短肢剪力墻是近年來建筑業(yè)出現(xiàn)的一種新型結(jié)構(gòu)形式。實(shí)際上，它是異形柱與剪力墻的組合，這種類型的結(jié)構(gòu)常用于民用建筑，與普通剪力墻相比，短肢剪力墻截面厚度較薄。一般來說，其厚度主要集中在200～300mm。各肢端截面的高度與厚度之比主要在5～8 之間。在結(jié)構(gòu)中，異形截面柱與短肢剪力墻相似，不同之處在于柱截面高度與厚度之比小于4，而短肢剪力墻截面高厚比要在4～8 之間。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)性能好、長度小而被廣泛應(yīng)用于民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

與傳統(tǒng)墻體相比，短肢剪力墻在民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中更加靈活。在實(shí)際設(shè)計(jì)施工中，根據(jù)施工的具體要求，可以適當(dāng)控制墻體的大小和數(shù)量。同時(shí)，我們也應(yīng)該能夠更好地完成墻體柱的連接，防止框架結(jié)構(gòu)截面不規(guī)則，對(duì)項(xiàng)目的整體質(zhì)量和實(shí)際應(yīng)用造成不利影響。在土木工程建筑設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師將短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的這一特點(diǎn)應(yīng)用于相應(yīng)的布置，使建筑空間更加美觀。同時(shí)，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)使用的鋼筋混凝土較少，可以減少施工總成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

在土木工程中，合理使用短肢剪力墻，一方面可以減輕結(jié)構(gòu)本身的重量，另一方面也可以進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力功能。因此，該結(jié)構(gòu)形式更適合高層建筑工程。近年來，中國城市化步伐加快，城市住房問題長期以來一直是一個(gè)關(guān)鍵問題。在民用建筑中，短肢剪力墻的合理應(yīng)用可以使建筑工程滿足穩(wěn)定性和抗震性的要求。同時(shí)，在有限的空間內(nèi)適當(dāng)提高建筑工程的高度，提高建筑工程空間的利用率，提高人們對(duì)民用建筑的滿意度。

2 民用建筑中短肢剪力墻的應(yīng)用

短肢剪力墻可以增加高層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。我們都知道，隨著樓層數(shù)的增加，總體施工難度和承載力也在逐漸增加。特別是在高層建筑中，高層建筑不僅要考慮建筑的整體地震效應(yīng)，還要承受水平和垂直方向的荷載。短肢剪力墻技術(shù)的應(yīng)用，在很大程度上保證高層建筑的整體施工質(zhì)量。通過對(duì)鋼筋配置的控制，結(jié)合短支路剪力墻的合理布置，設(shè)計(jì)出合理的高層建筑。同時(shí)，由于采用短枝剪力墻技術(shù)，有效地保護(hù)了建筑的內(nèi)部活動(dòng)空間，提高空間的利用率，有利于我國高層建筑水平的提高。

短肢剪力墻技術(shù)可以用于高層建筑的應(yīng)力計(jì)算。采用短肢剪力墻技術(shù)的高層結(jié)構(gòu)的力學(xué)分布類似于空間幾何結(jié)構(gòu)。通過適當(dāng)?shù)挠?jì)算公式，可以準(zhǔn)確計(jì)算出高層短肢剪力墻的具體承載力。從而計(jì)算高層結(jié)構(gòu)施工各階段工程結(jié)構(gòu)承載力的極限值和工程施工各過程剛度的極限值。便于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在前期對(duì)建筑方案進(jìn)行調(diào)整。通過高層建筑的側(cè)向力計(jì)算，為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提供第一手的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。通過相關(guān)數(shù)據(jù)的整理和分析，達(dá)到控制工程質(zhì)量的目的，有效地保證運(yùn)行平穩(wěn)的建設(shè)項(xiàng)目的施工進(jìn)度，提高相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)效率，減少建設(shè)的潛在安全隱患，有利于中國經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展。

利用短肢剪力墻技術(shù)設(shè)計(jì)小型高層建筑，可以使建筑的空間分布更加合理。小型高層建筑的抗震性優(yōu)于大型建筑。在增加短肢剪力墻技術(shù)后，增加了住宅內(nèi)部的活動(dòng)空間。與此同時(shí)，通過短枝剪力墻設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)的垂直構(gòu)件，生活區(qū)之間的空間分布也更加清晰。它最大限度地優(yōu)化小型高層建筑的內(nèi)部空間設(shè)計(jì)，避免建筑結(jié)構(gòu)與建筑功能之間的沖突，優(yōu)化資源配置。短肢剪力墻可以優(yōu)化小型高層建筑內(nèi)部應(yīng)力的集中。在設(shè)計(jì)小型高層建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，建筑內(nèi)部將承受較大的剪力和軸向力，通常將隱蔽的柱子被放置在短肢剪力墻中，以提高小型高層建筑的整體承載力。利用短肢剪力墻技術(shù)，可以避免小型高層建筑內(nèi)部應(yīng)力的集中，通過計(jì)算得到小型高層建筑內(nèi)部荷載的極限值。利用短枝剪力墻技術(shù)對(duì)墻體進(jìn)行加固和改善，有效避免高水平內(nèi)部應(yīng)力的集中，使其達(dá)到民用建筑的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。短肢剪力墻技術(shù)可以提高小型高層建筑的整體施工質(zhì)量。短肢剪力墻技術(shù)可以根據(jù)建筑的實(shí)際情況合理設(shè)計(jì)。在小型高層建筑結(jié)構(gòu)中，短肢剪力墻技術(shù)可以與BIM 技術(shù)有機(jī)結(jié)合，提高建筑整體質(zhì)量。在低成本的基礎(chǔ)上，它可以滿足綠色節(jié)能的要求，并具有優(yōu)異的抗震性能。它可以靈活地組合不同的設(shè)計(jì)方案，使建筑結(jié)構(gòu)符合相關(guān)的質(zhì)量要求。

短肢剪力墻的應(yīng)用減少了小高層建筑剪力墻的數(shù)量。高層的內(nèi)部設(shè)計(jì)之中，剪力墻布置不宜設(shè)置過多，因?yàn)檫^度使用剪力墻結(jié)構(gòu)，會(huì)增加應(yīng)力集中的風(fēng)險(xiǎn)。與此同時(shí)，剪力墻布置過多將減少用戶的生活空間，也將容易造成相應(yīng)的結(jié)構(gòu)隱患。短肢剪力墻技術(shù)的出現(xiàn)，完美地解決了上述在小高層建筑中遇到的問題。首先，剪力墻的墻厚度較小，生活不會(huì)占用太多的空間，其次，短肢剪力墻的表現(xiàn)都優(yōu)于一般剪力墻，所以在高層建筑中可以減少短肢剪力墻的應(yīng)用，有效減少資源浪費(fèi)，促進(jìn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展。

3 短肢剪力墻的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 抗震設(shè)計(jì)

短肢剪力墻相對(duì)于一般剪力墻，其墻體的剛度要小于一般剪力墻的剛度。為滿足強(qiáng)剪弱彎的設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)結(jié)構(gòu)的連梁的剛度進(jìn)行相應(yīng)的削弱。在剪力墻布置時(shí)，剪力墻的軸壓需要在一定范圍內(nèi)進(jìn)行控制，不能使其差距過大。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置時(shí)，剪力墻應(yīng)相對(duì)的均勻，剪力墻的上下墻肢要對(duì)齊，防止結(jié)構(gòu)剛度分布不均勻。與此同時(shí)，短肢剪力墻與一般剪力墻要進(jìn)行搭配布置。還需要注意軸壓比對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的影響，規(guī)范中軸壓比限值如表1 所示。

3.2 剪力墻洞的布置及形狀

開口的位置必須嚴(yán)格按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。如果我們要確保壁支的剛度間距和開口不太大，以便有效地保證應(yīng)力分布合理，確保水平和豎向的傳力路徑明確。剪力墻洞口位置處受力相對(duì)薄弱，因此其布置的位置不能設(shè)置在結(jié)構(gòu)薄弱位置處，在進(jìn)行洞口填充時(shí)，應(yīng)盡力選用輕質(zhì)材料。為了保證洞口的設(shè)置對(duì)結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，有必要的話需要運(yùn)用abaqus 以及analysis 等有限元分析軟件進(jìn)行相應(yīng)的有限元分析，從而使洞口的設(shè)置滿足相應(yīng)的要求。在進(jìn)行短肢剪力墻設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)遇到異形截面剪力墻，為了滿足建筑結(jié)構(gòu)要求，異形截面的布置是必不可少的，需要連梁的布置相對(duì)應(yīng)，避免不合理布置出現(xiàn)裂縫等結(jié)構(gòu)問題。

表1 軸壓比限值

3.3 加強(qiáng)設(shè)計(jì)

為了保證短肢剪力墻的延性，對(duì)于一級(jí)抗震設(shè)計(jì)要求的，短肢剪力墻的重力荷載約為0.5；對(duì)于二級(jí)抗震設(shè)計(jì)要求的，短肢剪力墻的重量荷載約為0.6；在第二次地震中，短肢剪力墻的重量荷載約為0.7。然而，不同形狀的短肢剪力墻的設(shè)計(jì)價(jià)值有不同的標(biāo)準(zhǔn)。這意味著一字型短肢剪力墻的設(shè)計(jì)值將控制在0.1 左右。對(duì)剪力墻的塑性鉸區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)，應(yīng)避免剪力墻和樓梯墻的位置。此外，如有必要，應(yīng)擴(kuò)大底部加強(qiáng)的范圍，并將加固部分的高度控制在總墻高度的10%以下。

4 結(jié)語

為了使民用建筑的設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)合理，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)采用短肢剪力墻。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)因其許多優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。為了更好地提高結(jié)構(gòu)的整體性能和抗震性能，在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮短肢剪力墻的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。為了提高延性，采用特殊形狀的短肢剪力墻來提高墻體結(jié)構(gòu)的剛度。墻體高度應(yīng)合理設(shè)計(jì)，避免軸向壓縮比過高引起的縱向裂縫，結(jié)構(gòu)加固配置應(yīng)合理。優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)性能，確保整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和穩(wěn)定性，提高我國民用建筑的設(shè)計(jì)水平。