建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中短肢剪力墻的技術(shù)要點研究

文／趙裕賡 甘肅省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司 甘肅蘭州 730030

引言：

施工技術(shù)體系的不斷成熟，使建筑工程的施工規(guī)模和施工高度也在不斷增大，在高層建筑工程施工過程中，經(jīng)常會使用到短肢剪力墻這一結(jié)構(gòu)，通過整理短肢剪力墻在應(yīng)用中需要注意的相關(guān)內(nèi)容，可以積累有價值的應(yīng)用數(shù)據(jù)，這對于提升建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計安全性和耐久性有著積極的促進作用。

1、高層建筑的特點

基于以往應(yīng)用經(jīng)驗可以得知，高層建筑在應(yīng)用中具有以下特點：（1）高層建筑的地上層數(shù)較多，可以縮減建筑內(nèi)部豎向與橫向的交通距離，同時可以容納更多人員，如辦公高層寫字樓可以讓商業(yè)活動的密集度更高，提高相關(guān)活動的開展效率。（2）所占用建筑用地面積較小，高層建筑是指層數(shù)不低于30層，或總高度不低于100m的建筑，相比于傳統(tǒng)的多層建筑，高層建筑豎向空間利用率更高，但占地面積較小，在的土地存量背景下可以減少建設(shè)用地使用量，為其他產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供土地支持。（3）目前高層建筑工程已經(jīng)形成了比較穩(wěn)定的施工體系，而且建筑工程施工過程中，所需要投入的綜合成本、施工工期較短，可以創(chuàng)造出更高的經(jīng)濟效益。

2、高層建筑結(jié)構(gòu)分析的基本假定

在高層建筑結(jié)構(gòu)分析活動中，常用的基本假定如下：（1）彈性假定。在垂直荷載或一般風力作用下，結(jié)構(gòu)通常處于彈性工作階段，這一假定基本符合結(jié)構(gòu)的實際工作狀況。但是在遭受地震或強臺風作用時，往往會產(chǎn)生較大的位移，進入到彈塑性工作階段。（2）小變形假定。小變形假定也是各種方法普遍采用的基本假定。但有不少人對幾何非線性問題（P-Δ效應(yīng)）進行了一些研究。一般認為，當頂點水平位移Δ與建筑物高度H的比值Δ/ H＞1/500時，P-Δ效應(yīng)的影響便不能忽視，需采取措施進行整合，以提高分析結(jié)果的合理性。（3）剛性樓板假定，在高層建筑結(jié)構(gòu)此項性能的分析中，會假設(shè)自身平面內(nèi)的剛度處于無限大狀態(tài)，而平面外剛度處于忽略不計的狀態(tài)，以此來完成其他參數(shù)的假定分析工作。但是針對一些存在豎向剛度突變的結(jié)構(gòu)，則需要考慮結(jié)構(gòu)剪力參數(shù)變化情況，以提高分析結(jié)果的準確性與合理性。（4）計算圖形假定，目前在高層建筑計算圖形的分析中，共包含了一維協(xié)同分析、二維協(xié)同分析和三維空間分析，以三維協(xié)同分析為例，在分析時普通桿結(jié)構(gòu)單元的每個節(jié)點都包含6個自由度，對于存在翹曲的截面，在分析時則考慮7個自由度。

3、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系的現(xiàn)狀

3.1 基本內(nèi)容

一般情況下，短肢剪力墻是指截面厚度大于0.3m、墻體橫截面高度與其厚度比重處于4～8的墻體結(jié)構(gòu)。在高層建筑工程的施工中，此類結(jié)構(gòu)的使用較多，但是并不能將其作為全部墻體結(jié)構(gòu)，需要和其他結(jié)構(gòu)搭配在一起進行使用，以提高整個結(jié)構(gòu)應(yīng)用結(jié)果的穩(wěn)固性。在短肢剪力墻具體應(yīng)用中，會將梁體結(jié)構(gòu)作為主要的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)，以此來形成一個應(yīng)用整體，達到預(yù)期的承載要求。目前常用的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)為T形、L形等（如圖1所示），在具體的選擇中也會結(jié)合高層建筑層數(shù)、建筑使用性質(zhì)、設(shè)計方案等內(nèi)容來進行選擇，以此來提高整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減少資源浪費的情況。

圖1 T形（左側(cè)）和L形（右側(cè)）短肢剪力墻結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 布置原則

進行短肢剪力墻布置時，應(yīng)遵循以下應(yīng)用原則：（1）對于整個高層建筑結(jié)構(gòu)的縱向交通中心，需要適當增加短肢剪力墻結(jié)構(gòu)數(shù)量，以此作為整個縱向交通中心的重要受力區(qū)域，以此來分流縱向上的墻體壓力。（2）雖然短肢剪力墻在使用中具有良好的應(yīng)用優(yōu)勢，但是在具體應(yīng)用中需要做好數(shù)量控制，在確保高層建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮出短肢剪力墻的支撐作用，降低過多使用短肢剪力墻帶來的成本增加問題。（3）在結(jié)構(gòu)的應(yīng)用布局上，需要做好結(jié)構(gòu)的均勻化布置，基于結(jié)構(gòu)剛度布置目標合理布局短肢剪力墻，中間也可以搭配若干長肢剪力墻，以提高結(jié)構(gòu)應(yīng)用后的呈現(xiàn)效果。第四，在短肢剪力墻布置上，需要保持相鄰結(jié)構(gòu)的平行性，并且在方向上也需要進行對齊，以此來提高整個抗力結(jié)構(gòu)的平整性與穩(wěn)固性。

3.3 應(yīng)用優(yōu)勢

在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中，具有以下應(yīng)用優(yōu)勢：（1）結(jié)構(gòu)的總重量較輕，相比于其他的支撐結(jié)構(gòu)，短肢剪力墻的體積較小，質(zhì)量較輕，這樣也可以降低高層建筑的整體荷載，有利于結(jié)構(gòu)抗震性能的提升。（2）結(jié)構(gòu)總長度較小，不同于長肢剪力墻，短肢剪力墻的長度在800～2000mm，寬度在180～250mm，在應(yīng)用中具有更高的靈活性，設(shè)計人員可以根據(jù)實際情況對參數(shù)進行調(diào)整，以提高結(jié)構(gòu)應(yīng)用結(jié)果的可靠性。（3）具有良好的延展性，基于高層建筑的應(yīng)用特點，其大長度與寬度可以更好地滿足結(jié)構(gòu)要求，以提升結(jié)構(gòu)應(yīng)用結(jié)果的合理性。（4）結(jié)構(gòu)隱蔽性強，此類結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中，可以在不影響建筑工程功能性的同時，確保整個結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)性。而且此類結(jié)構(gòu)的隱蔽性較強，能夠增加房屋內(nèi)部的實際使用面積，提升建筑空間的使用率。

4、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實例

工程概況：該高層建筑為民用建筑，地上共有35層，地下有3層，并且在建筑設(shè)計中使用到較多數(shù)量的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震烈度為7°，為了滿足這一建筑設(shè)計目標，在該工程項目的設(shè)計中，會使用到三級剪力墻，外部抗震框架為二級結(jié)構(gòu)，建筑工程的主體結(jié)構(gòu)使用現(xiàn)澆工藝進行制作，剪力墻的厚度為200mm，長度在800～1800mm之間，整個建筑工程的形狀為矩形，以滿足相應(yīng)的使用要求。

4.1 結(jié)構(gòu)計算分析

在結(jié)構(gòu)計算分析活動中需要結(jié)合實際情況來選擇恰當?shù)挠嬎丬浖?，并確定最為合適的計算分析方法，以此來建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)計算模型，在模型中也會對各項參數(shù)進行合理化計算，從而得到更加準確的計算結(jié)果。并且在結(jié)構(gòu)計算中也需要做好概念性設(shè)計，以提升數(shù)據(jù)計算結(jié)果的合理性，在短肢剪力墻的應(yīng)用中，所使用到的結(jié)構(gòu)會利用三維組元分析法來參與設(shè)計，以此來得到更加準確與可靠的計算結(jié)果，為后續(xù)分析活動的展開奠定基礎(chǔ)。

4.2 力學(xué)參數(shù)設(shè)計

在對短肢剪力墻結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，需做好力學(xué)參數(shù)設(shè)計，以提升整個設(shè)計結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。該建筑工程在施工中使用到了L型和T型的短肢剪力墻，在力學(xué)參數(shù)設(shè)計中應(yīng)注意以下內(nèi)容：（1）短肢剪力墻在設(shè)計中，需要對結(jié)構(gòu)豎向荷載、風荷載、水平地震作用等參數(shù)進行計算，依托于得到的計算結(jié)果來調(diào)整力學(xué)結(jié)構(gòu)，并且在計算活動中也需要進行結(jié)構(gòu)偏心力、扭曲力、剪切力等參數(shù)計算，根據(jù)計算結(jié)果來調(diào)整結(jié)構(gòu)扭曲參數(shù)，確保宏觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。（2）基于結(jié)構(gòu)剛度與長度成正比這一數(shù)學(xué)關(guān)系，結(jié)合該工程項目的應(yīng)用特點，可以對墻體長度參數(shù)進行合理化設(shè)計，借此來確保整個墻體結(jié)構(gòu)受力性能可以保持最大值，過程中需要做好合理選擇原材料的相關(guān)工作，以此來防止資金成本支出過量的情況。（3）在該工程的部分位置也會使用到異形墻，在正式應(yīng)用前也需要基于實際情況來合理化設(shè)計各項參數(shù)，以提高整個結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果的合理性。

4.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)合理化設(shè)計

在該工程短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中，也需要做好各項結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理化設(shè)計，在具體實踐中也需要注意以下內(nèi)容：（1）計算水平地震作用力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的剪重比，具體的計算公式如下：K≥C∑G，式中Ki表示在水平地震作用下在節(jié)點i上產(chǎn)生的剪力值；C表示剪力系數(shù)，n表示結(jié)構(gòu)中的節(jié)點總數(shù)；G表示在高層建筑第a層所產(chǎn)生的重力荷載數(shù)值。參考相應(yīng)規(guī)范來判斷該工程剪力值參數(shù)的合理性，對于不合理內(nèi)容及時做出調(diào)整，以此來確保該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。計算短肢剪力墻剛重比，通常情況下該數(shù)值超過1.4才可以滿足高層建筑工程作業(yè)要求。代入公式后計算可得，該工程項目的短肢剪力墻剛重比為1.46，滿足系數(shù)超過1.4的要求，表示所設(shè)置短肢剪力墻結(jié)構(gòu)滿足應(yīng)用要求。計算軸壓比，該參數(shù)是指前高層建筑墻體和柱結(jié)構(gòu)的軸力預(yù)設(shè)值和墻體、柱結(jié)構(gòu)截面面積的抗壓強度設(shè)計值乘積，此數(shù)值能夠直觀反映出墻體和柱結(jié)構(gòu)的受壓狀態(tài)，基于該數(shù)值來調(diào)整結(jié)構(gòu)延性參數(shù)，以達到預(yù)期的設(shè)計效果。位移比計算，是指地震作用下結(jié)構(gòu)的位移參數(shù)，在仿真實驗中結(jié)構(gòu)的最大位移量為2.33cm，滿足規(guī)范要求，具有良好的應(yīng)用價值。

4.4 配筋結(jié)構(gòu)合理化設(shè)計

在對配筋結(jié)構(gòu)展開優(yōu)化設(shè)計時，所遵循的布筋規(guī)范如圖2所示，在具體的設(shè)計過程中，也需注意以下內(nèi)容：（1）結(jié)合該工程項目的應(yīng)用特征，其約束邊緣構(gòu)件的配箍特征值應(yīng)高出框架柱一級，而軸壓比數(shù)值控制在0.3以內(nèi)，以此來提高該建筑邊緣構(gòu)件的穩(wěn)固性，確保其參數(shù)的合理性。（2）在短肢剪力墻截面高度的設(shè)計中，會將其數(shù)值控制在1200mm-2000mm，對于邊緣構(gòu)件的長度該工程統(tǒng)一選擇450mm的規(guī)格，而配筋設(shè)計參考圖2中所示內(nèi)容，確保最小配筋率參數(shù)的合規(guī)性。對于此次設(shè)計中的加強部位，縱向上的配筋率為1.3%，其他部位為1.1%，以確保整個結(jié)構(gòu)加固結(jié)果的可靠性。（3）在短肢剪力墻水平方向上進行布筋時，為提升整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，工程選用雙排布筋的方式，水平筋位于外部、豎向筋位于內(nèi)部，拉結(jié)筋會呈現(xiàn)梅花形進行布置，相鄰間距控制在350mm，以此來確保整個應(yīng)用結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。另外，在豎筋的布置過程中，每一根豎筋都需要使用拉筋進行連接處理，使整個結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)固的狀態(tài)。

圖2 配筋結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

4.5 結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計

在該工程短肢剪力墻設(shè)計活動中，也需要做好抗震性能設(shè)計，具體應(yīng)用中需要確保結(jié)構(gòu)受力過程的均勻性，防止結(jié)構(gòu)在地震力作用下出現(xiàn)局部形變問題。在具體的設(shè)計活動中，具體包括以下幾方面：（1）需要控制好短肢剪力墻底部傾覆力矩設(shè)計，該工程的清理傾覆力數(shù)值為總傾覆力矩的 45%，滿足相應(yīng)的設(shè)計要求。搭配相應(yīng)的配筋率，提高整個結(jié)構(gòu)的抗震性能。（2）該高層建筑中抗震等級為一、二級的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，其加強位置的厚度值為250mm，而其中一字形結(jié)構(gòu)，底部加強位置厚度設(shè)計值為230mm，使整個結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)在一起，可以形成穩(wěn)固的抗震結(jié)構(gòu)。該高層建筑中抗震等級為三、四級的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，其加強位置的厚度值為200mm，底部加強位置厚度設(shè)計值為230mm，使整個結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)在一起，具備良好的穩(wěn)定性；該高層建筑中不存在抗震等級的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，其加強位置的厚度值為170mm，使這個結(jié)構(gòu)均具有良好的穩(wěn)定性。（3）對于高層建筑中抗震等級為一級的短肢剪力墻，其軸壓比控制在0.43左右；抗震等級為二級的短肢剪力墻，其軸壓比控制在0.45左右；抗震等級為三級和四級的短肢剪力墻，其軸壓比控制在0.47左右；無抗震等級要求的短肢剪力墻，其軸壓比控制在0.50左右，以滿足結(jié)構(gòu)抗震性要求。

4.6 連梁結(jié)構(gòu)合理化設(shè)計

除上述提到的設(shè)計內(nèi)容外，在應(yīng)用中還需要做好連梁結(jié)構(gòu)設(shè)計，連梁的主要作用連接短肢剪力墻，梁結(jié)構(gòu)跨度和高度之間的比值控制在4.5左右，使其可以具備良好的穩(wěn)定性。同時在設(shè)計活動中也需要注意以下內(nèi)容：（1）對連梁結(jié)構(gòu)的正截面承載力、連梁彎矩的合理化設(shè)計，折減值控制在20%左右，隨后做好配筋參數(shù)的合理化設(shè)計，并利用以下的公式進行驗算：K≤1/C·F·S （H-h），式中K表示結(jié)構(gòu)彎矩的設(shè)計值；C表示結(jié)構(gòu)抗震調(diào)整系數(shù)；F表示鋼筋結(jié)構(gòu)的抗拉設(shè)計數(shù)值；S表示鋼筋結(jié)構(gòu)的總截面面積；H表示連梁截面的有效高度；h表示連梁截面受壓區(qū)的有效高度。（2）計算連梁截面應(yīng)用規(guī)格，在具體的計算過程中所使用到的計算公式如下：V≤0.25α·F·b·H，式中V0表示調(diào)整后的設(shè)計值；b0表示連梁截面的寬度值；α表示混凝土強度影響系數(shù)。將相關(guān)數(shù)值代入后，可以得到相應(yīng)的評估數(shù)值，并且對最小和最大配筋率進行合理化設(shè)計，以提高數(shù)據(jù)處理結(jié)果的合理性與可靠性。

5、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計建議

5.1 完善墻體設(shè)計結(jié)構(gòu)

完善墻體設(shè)計結(jié)構(gòu)，可以提升整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，充分發(fā)揮短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用價值。在具體實踐中，需要對現(xiàn)場施工情況進行整理，并以此來完成布局方案的優(yōu)化處理，過程中也需要遵循相應(yīng)的設(shè)計原則，明確剪力墻設(shè)計高度和抗震能力之間的關(guān)聯(lián)性。通常情況下，墻體結(jié)構(gòu)的設(shè)計高度越低，剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能也越高。而且在具體的設(shè)計活動中，也需要基于建筑規(guī)范、樓層要求來確定最為合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計高度，同時在設(shè)計時也需要控制好墻體設(shè)計間距，結(jié)構(gòu)也需要和外部縱向軸線保持對應(yīng)關(guān)系，以提高整個建筑結(jié)構(gòu)的橫向性能。另外，在實際的設(shè)計活動中，也需要遵循“強剪弱彎”原則，優(yōu)化各項設(shè)計參數(shù)，以此來確保結(jié)構(gòu)承載力穩(wěn)定性，提高建筑外界因素的抗干擾性能。

5.2 合理布置彎曲結(jié)構(gòu)

合理布置彎曲結(jié)構(gòu)，能夠更好地保護地震環(huán)境下的墻體結(jié)構(gòu)，確保建筑抗力與載荷的穩(wěn)定性。綜合考慮高層建筑的應(yīng)用特征，在短肢剪力墻的應(yīng)用中會優(yōu)選彎曲形態(tài)來進行設(shè)計，以提升建筑墻體結(jié)構(gòu)的延伸性，提升結(jié)構(gòu)的抗震效果。通常情況下，墻體結(jié)構(gòu)的設(shè)計弧度會控制在15°以下，并且基于建筑規(guī)范、樓層要求來合理布局短肢剪力墻布局，做好縱向與橫向軸線的相對關(guān)系，以提升建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。除此之外，在高層建筑的設(shè)計活動中，也需要在合適位置布置足夠數(shù)量的抗震設(shè)備，搭配相應(yīng)的抗震預(yù)防措施，能夠提升整個建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，同時也可以降低地震作用下帶來的經(jīng)濟損失，提高建筑外界因素的抗干擾性能。

5.3 嚴格遵循程序計算

嚴格遵循程序計算，能夠減少結(jié)構(gòu)應(yīng)用過程中各項成本支出，確保建筑工程結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量。在高層建筑設(shè)計活動中，需要依托計算程序來合理計算工程中所用短肢剪力墻的數(shù)量、長度、厚度等，搭配合理化的短肢剪力墻設(shè)計布局，在確保工程建設(shè)質(zhì)量的同時，降低建筑工程施工成本支出。目前在計算活動中所使用的計算程序包括TBSA 薄壁桿系模型程序、 CTBA 墻元模型等，根據(jù)實際情況選擇相匹配的計算程序，以此來得到準確的數(shù)據(jù)計算結(jié)果，為后續(xù)工作的展開奠定基礎(chǔ)。需要注意的是，對于所計算的相關(guān)參數(shù)，也需要做好參數(shù)記錄工作，這樣也可以積累有價值的應(yīng)用數(shù)據(jù)，為短肢剪力墻施工體系的完善提供良好參考。

5.4 縮短短肢剪力墻施工周期

縮短短肢剪力墻施工周期，可以不斷提升結(jié)構(gòu)的抗震性能，提高整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。在具體設(shè)計中需要關(guān)注結(jié)構(gòu)柔軟度、剛度耦合量等內(nèi)容，同時基于“強剪弱彎”核心理念，來對各項參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，以滿足相應(yīng)的設(shè)計要求。例如，在該工程的施工中，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的變形情況主要集中在墻肢底部，此時根據(jù)豎向荷載作用來對此問題進行分析，最后借助小墻肢和轉(zhuǎn)角墻肢等結(jié)構(gòu)來增強薄弱位置，起到減少短肢剪力墻扭曲變形的作用。

結(jié)語：

綜上所述，完善墻體設(shè)計結(jié)構(gòu)，可以提升整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，合理布置彎曲結(jié)構(gòu)，能夠更好地保護地震環(huán)境下的墻體結(jié)構(gòu)，嚴格遵循程序計算，能夠減少結(jié)構(gòu)應(yīng)用過程中各項成本支出，縮短短肢剪力墻施工周期，可以不斷提升結(jié)構(gòu)的抗震性能。通過整理高層建筑短肢剪力墻設(shè)計經(jīng)驗，并提出相應(yīng)的優(yōu)化建議，對于提高短肢剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用價值，提高整個高層建筑穩(wěn)固性有著積極作用。