民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中短肢剪力墻運(yùn)用分析

占超 彭濤

(景德鎮(zhèn)市建筑設(shè)計院有限公司，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

短肢剪力墻是指截面厚度低于300mm，并且各肢截面高度與厚度的比值在4～8 之間的剪力墻，該剪力墻的受力特點(diǎn)與變形特征基本與框剪結(jié)構(gòu)一致，但在剛度分配方面更科學(xué)，在結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)產(chǎn)生的豎向位移也較低，因此具有良好的適用性，能夠有效保證建筑工程的穩(wěn)定性與安全性。為了確保后續(xù)提出的民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中短肢剪力墻的運(yùn)用方法科學(xué)、合理，首先要對短肢剪力墻的基本特點(diǎn)與計算方法進(jìn)行深入了解。

1 短肢剪力墻分析

1.1 特點(diǎn)與優(yōu)勢

短肢剪力墻的厚度通常保持在180～250mm 左右，而肢長范圍則在800～2000mm 之間，如圖1 所示，通常在建筑工程中會使用L 型、Z 型以及十字型的短肢剪力墻，并用于內(nèi)墻與外墻的連接區(qū)域或是墻體轉(zhuǎn)角位置。由于民用建筑的受力情況相對復(fù)雜，需要在應(yīng)用短肢剪力墻時注意豎向交通區(qū)域的分隔，并設(shè)置剪力墻以此形成完整筒體，起到承載抗側(cè)力以及豎向荷載的作用。外墻四周的豎向受力構(gòu)件則要依照短肢剪力墻承載力大小以及建筑平面特點(diǎn)進(jìn)行布置。

圖1 短肢剪力墻

短肢剪力墻的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾方面：一是與建筑功能不矛盾，可以結(jié)合建筑平面，在隔墻區(qū)域布置豎向構(gòu)件；二是能夠依照結(jié)構(gòu)抗側(cè)力需要，進(jìn)行短肢剪力墻數(shù)量與肢長短的調(diào)整，也可利用不同類型的抗側(cè)力構(gòu)件實(shí)現(xiàn)剛度大小與中心位置的把控；三是短肢剪力墻的布置更加靈活，對樓蓋支撐的要求較低，無論是肋梁樓蓋還是大跨度平板樓蓋都能滿足短肢剪力墻的應(yīng)用需求；四是短肢剪力墻的中心豎向位置可以制作成筒體，從而符合建筑平面抗側(cè)力需要。

1.2 計算方法

一是材料力學(xué)法，是指借助材料力學(xué)公式計算短肢剪力墻內(nèi)力與位移，該方法適用于小開口整體墻，當(dāng)墻體在水平作用下截面仍然保持平面且法向應(yīng)力是以線性形式分布，則可利用材料力學(xué)法準(zhǔn)確判斷剪力墻變形量。二是連續(xù)化計算法，是指將部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，以此獲取相對簡單的解析內(nèi)容，該方法可以將每層樓的連梁作為分布在民用建筑樓層高度上的連續(xù)桿，之后以連桿位移作為基礎(chǔ)條件構(gòu)建墻的內(nèi)力微分方程，并繪制成曲線，以此保證結(jié)果的精確度，但該方法的假定條件較多，使用范圍存在一定的局限性。

1.3 短肢剪力墻布置原則

第一，均勻分散原則，要求短肢剪力墻在布置時要保證每片墻抗側(cè)剛度保持一致，防止出現(xiàn)受力過于集中的情況，造成剪力墻受力不均，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。同時要采取對稱布置的方式，實(shí)現(xiàn)質(zhì)心與剛心的高度重合，避免建筑受到扭矩剪力，使剪力墻更靠近結(jié)構(gòu)單元，以此達(dá)到強(qiáng)化房屋外圍剛度，降低結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期的目的。第二，民用建筑不應(yīng)全部采用短肢剪力墻，還要適當(dāng)結(jié)合一般剪力墻以及筒體來完成水平力的共同抵抗。第三，短肢剪力墻需要布置在民用建筑房間分隔墻交匯并且豎向荷載較大的位置。第四，短肢剪力墻的數(shù)量和尺寸都需要依照結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行設(shè)計，并以基本自振周期作為判斷依據(jù)，確保布置方式科學(xué)合理，同時在布置時要盡可能保證墻體拉直、對齊，便于后續(xù)和連梁一同組成抗側(cè)力構(gòu)件。第五，在外凸區(qū)域，平面的外邊緣與角點(diǎn)容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，需要利用短肢剪力墻滿足平面抗扭轉(zhuǎn)需要。第六，短肢剪力墻間距不可設(shè)置過大，與相鄰洞口的邊緣要預(yù)留一定空間，避免樓板在平面內(nèi)出現(xiàn)形變過高的情況，防止小墻肢過早損壞。

2 短肢剪力墻運(yùn)用在民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的路徑探究

2.1 總體設(shè)計要求

在民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需要以呈現(xiàn)最佳的施工效果作為設(shè)計目標(biāo)，充分結(jié)合實(shí)際施工狀況，全面掌握短肢剪力墻的特性與優(yōu)勢，并不斷改善技術(shù)應(yīng)用方式，才能切實(shí)提高短肢剪力墻的承載能力。首先工作人員需要認(rèn)識到短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，需要根據(jù)外界影響因素對不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的選擇，由于其抗側(cè)力剛度低于普通剪力墻結(jié)構(gòu)，因此在設(shè)計時需要布置一定數(shù)量的長墻，從而形成高剛度內(nèi)筒，防止墻身出現(xiàn)大面積變形。其次應(yīng)注意短肢剪力墻的抗震薄弱區(qū)域位于邊緣腳部墻肢，當(dāng)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時會進(jìn)一步加劇翹曲變形，導(dǎo)致墻肢開裂，為此需要適當(dāng)強(qiáng)化抗震構(gòu)造，提高縱筋配筋率。最后要處理好周邊墻肢容易開裂的問題，由于高層短肢剪力墻容易在水平力作用下出現(xiàn)整體彎曲變形現(xiàn)象，且底部外圍墻肢所承受的豎向荷載較高，因此需要設(shè)計人員進(jìn)一步提高配筋量，增大外圍墻肢的厚度，提升墻肢的延性與抗震性能，使短肢剪力墻能夠在兩個方向上形成連接，以此避免“一字形”墻肢的產(chǎn)生。

2.1.1 力學(xué)設(shè)計

在力學(xué)設(shè)計方面除了要滿足上述總體設(shè)計要求外，還要站在宏觀角度合理把控短肢剪力墻性能，一方面在短肢剪力墻的應(yīng)用中，豎向荷載以及風(fēng)荷載、水平地震作用等其他因素都會對墻身產(chǎn)生一定的力學(xué)作用，所形成的的力學(xué)結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，不僅需要設(shè)計人員充分考慮結(jié)構(gòu)的剪切力，還要準(zhǔn)確計算結(jié)構(gòu)偏心力與扭曲力。在設(shè)計時要預(yù)先制定降低扭曲力的有效對策，之后以此為基礎(chǔ)，減小結(jié)構(gòu)扭曲對結(jié)構(gòu)造成的影響，實(shí)現(xiàn)宏觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。另一方面要依照剛度大小與短肢剪力墻肢長度成正比的設(shè)計原則，確保墻體長度滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，使墻體受力性能保持最大值，并注意節(jié)省原材料的使用，避免資金成本的過度支出，切實(shí)滿足力學(xué)平衡標(biāo)準(zhǔn)，適當(dāng)結(jié)合異形墻進(jìn)行使用。

2.1.2 抗震設(shè)計

民用建筑在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要充分考慮周邊環(huán)境情況，要求設(shè)計人員預(yù)先做好施工環(huán)境信息采集，明確可能出現(xiàn)的地震等級以及地震頻率，并分析民用建筑在地震狀況下所出現(xiàn)的力學(xué)變化情況，確保民用建筑抗震性能夠符合相關(guān)安全規(guī)范。在運(yùn)用短肢剪力墻的過程中，要優(yōu)先保證結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力均勻，避免出現(xiàn)局部變形的情況，并注意短肢剪力墻所分擔(dān)的底部傾覆力矩應(yīng)當(dāng)小于結(jié)構(gòu)整體傾覆力矩的50%，之后通過提高豎向以及水平配筋率進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

此外短肢剪力墻的抗震設(shè)計還要滿足以下要求：第一，當(dāng)短肢剪力墻抗震等級被設(shè)定在一、二級時，需要確保底側(cè)加強(qiáng)位置的厚度高于200mm。如圖2 所示。而對于以一字型方式單獨(dú)布置的墻體，則要保證底側(cè)加強(qiáng)位置的厚度高于220mm。同時要注意在進(jìn)行短肢剪力墻抗震設(shè)計的過程中，若抗震等級在三、四級時，截面厚度不可低于180mm，如果不存在抗震等級設(shè)定，墻體截面厚度也要高于160mm；第二，抗震等級為一級的墻體軸壓比需要低于0.45，抗震等級為二級的墻體軸壓比需要低于0.50，抗震等級為三級的墻體軸壓比同樣不可超過0.50。

圖2 短肢剪力墻的抗震設(shè)計示意圖

2.1.3 結(jié)構(gòu)計算

第一，要計算水平地震作用的剪重比，需要設(shè)計人員明確民用建筑每層樓在承受地震力作用時都會出現(xiàn)不同的剪力值，需要依照以下公式進(jìn)行水平地震剪力的計算。

其中Veki表示水平自振作用下i 上的剪力值，λ 則代表剪力系數(shù)，Gj表示在j 層產(chǎn)生的重力荷載值。為了確保民用建筑結(jié)構(gòu)安全性滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，需要及時調(diào)整結(jié)構(gòu)整體剪力，均勻分配地震傾覆力矩。第二，控制短肢剪力墻剛重比，如果結(jié)構(gòu)剛重比過大，說明構(gòu)件承載力未被完全利用，且材料的使用也不夠合理，因此需要及時對墻、梁等受力構(gòu)件面積進(jìn)行削減。短肢剪力墻的剛重比計算公式為：

當(dāng)剛重比數(shù)值高于1.4 則證明整體機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求。第三，要控制好軸壓比，軸壓比是指墻、柱的軸壓力設(shè)計值與墻、柱全截面面積和混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值乘積的比值，能夠反映墻、柱的真實(shí)受壓狀況，通過限制豎向承重構(gòu)件的軸壓比從而控制好結(jié)構(gòu)的延性。第四，位移比控制，是指結(jié)構(gòu)在受到地震力作用影響后結(jié)構(gòu)的每一層都會出現(xiàn)一定程度的位移，但每層的位移量卻不相同。這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)每層所分配的地震力大小不一致，因此每層的剛度也各不相同。為了避免結(jié)構(gòu)層間不同位移引發(fā)非受力構(gòu)件破壞現(xiàn)象，需要嚴(yán)格控制好結(jié)構(gòu)層間的水平位移，一方面工作人員要確保結(jié)構(gòu)受力屬于彈性受力，另一方面要保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件完好無損。

除此之外，為了確保短肢剪力墻能夠高效運(yùn)用在民用建筑中還要做好技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性分析，與傳統(tǒng)的框剪結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)相比，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的單位用鋼量相對較高，大約在40～50kg/m2左右，但其優(yōu)勢在于室內(nèi)空間利用率高，且單位用鋼量比普通的剪力墻結(jié)構(gòu)要少。為了避免成本資金的過度投入，在使用過程中需要設(shè)計人員確定短肢剪力墻的真實(shí)抗震等級，依照安全標(biāo)準(zhǔn)配置邊緣構(gòu)件，控制好結(jié)構(gòu)的用鋼量，充分凸顯民用建筑的經(jīng)濟(jì)性。

2.2 配筋構(gòu)造

首先要明確短肢剪力墻在建筑內(nèi)的配筋要求，如表1 所示，其次要注意短肢剪力墻側(cè)向高度低于一般剪力墻，以軸向力為主，彎矩為輔，其結(jié)構(gòu)與異形框架柱基本一致，因此同樣需要在設(shè)計過程中適當(dāng)提高邊緣構(gòu)件的配筋強(qiáng)度(如圖3所示)，設(shè)計人員在設(shè)計過程中可預(yù)先利用抗振動臺進(jìn)行地震模擬，之后根據(jù)實(shí)際結(jié)果進(jìn)行短肢剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能分析。經(jīng)過分析實(shí)驗(yàn)可知在地震作用下短肢剪力墻容易出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，且結(jié)構(gòu)變形以整體形式為主，底側(cè)小墻肢與連梁都是抗震的薄弱區(qū)域。此外，在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中由于墻肢剛度較低，會導(dǎo)致連梁被剪切破壞的幾率進(jìn)一步提高，為此需要在設(shè)計過程中針對薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行抗震構(gòu)造的強(qiáng)化。比如適當(dāng)提高短肢剪力墻縱向鋼筋配筋率，并注意底部加強(qiáng)位置不應(yīng)超過1.2%，其余部分需高于1.0%，而墻肢腳部鋼配筋則需控制在“0.2×墻肢長”的長度范圍內(nèi)。

表1 短肢剪力墻在建筑內(nèi)的配筋要求

圖3 短肢剪力墻邊緣構(gòu)件示意圖

2.3 連梁設(shè)計

連梁兩側(cè)需要與短肢剪力墻相連，且梁跨度與高度比應(yīng)小于5。首先要計算連梁的正截面承載力，確保連梁能夠最先屈服，適當(dāng)折減連梁彎矩，通常折減值會控制在20%左右。之后要進(jìn)行連梁的配筋設(shè)計，連梁在承受彎矩時所形成的抗彎承載力可依照框架梁的驗(yàn)算方法進(jìn)行驗(yàn)算，其對稱配筋公式為：

M≤1/YrefuAi(ho-ar)

其中M 代表連梁正截面彎矩設(shè)計值，fu代表縱向鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，Ai表示縱向受拉鋼筋總截面面積，ho表示連梁截面有效高度，Yre代表承載力抗震調(diào)整系數(shù)，ar表示連梁正截面受壓區(qū)高度。其次要計算連梁截面規(guī)格，為了避免在設(shè)計連梁結(jié)構(gòu)過程中出現(xiàn)斜壓破壞，需要使其比普通受彎構(gòu)件的截面更大，其規(guī)格計算方法為：

Vb≤0.25βffubeho

其中Vb代表連梁剪力調(diào)整后的設(shè)計值，be代表連梁截面寬度，ho代表連梁截面有效高度，βf代表混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)。此外還要注意若連梁出現(xiàn)破壞但承載力卻未出現(xiàn)大幅度變化，需要及時進(jìn)行受力分析，將其看做獨(dú)立的構(gòu)件進(jìn)行抗震性能檢測，并確定跨高比小于1.5 連梁縱向鋼筋的最小配筋率與連梁縱向鋼筋的最大配筋率。如表2、表3 所示。

表2 跨高比小于1.5 連梁縱向鋼筋的最小配筋率

表3 連梁縱向鋼筋的最大配筋率

3 結(jié)論

綜上所述，通過對短肢剪力墻的特征、優(yōu)勢、計算方法、布置原則進(jìn)行分析討論，提出將其運(yùn)用在民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的有效路徑，以此強(qiáng)化民用建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)承載力的均勻分布，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)異常變形現(xiàn)象，切實(shí)提高設(shè)計質(zhì)量與建筑安全性。