多層短肢剪力墻住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究

謝志成

（廣東省重工建筑設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510670）

0 引言

隨著人民對生活居住空間環(huán)境要求的提高，多層疊墅、別墅等類型住宅越來越受到房產(chǎn)市場的歡迎。多層住宅可采用框架結(jié)構(gòu)、異形柱結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、異形柱剪力墻結(jié)構(gòu)等常見的混凝土結(jié)構(gòu)體系[1]?？蚣苤孛娉叽缤笥趬裼绊懯覂?nèi)使用，異形柱結(jié)構(gòu)由軸壓比或剪壓比控制時柱肢較長，結(jié)構(gòu)過渡為異形柱剪力墻結(jié)構(gòu)或剪力墻結(jié)構(gòu)。在嚴(yán)控結(jié)構(gòu)造價的背景下，剪力墻的長度一般無法達(dá)到一般剪力墻的長度，形成短肢剪力墻結(jié)構(gòu)或者異形柱-短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，然而規(guī)范對具有大量短肢剪力墻或全短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計規(guī)定并不清晰。

1 短肢剪力墻

1.1 短肢剪力墻的規(guī)定

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（2016年版）》（GB 50011—2010）[2]6.4.6條規(guī)定，墻肢長度與墻厚的比值小于等于3時，按柱設(shè)計?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）[3]（簡稱《高規(guī)》）7.1.7規(guī)定，墻肢截面高度不大于墻厚的4倍時，宜按柱設(shè)計。《高規(guī)》7.1.8條注1規(guī)定墻厚不大于300mm，各墻肢截面高度與墻厚之比在4~8倍（含8倍）的墻為短肢剪力墻?！陡咭?guī)》7.1.8條規(guī)定了具有較多短肢剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)定義以及承擔(dān)的底部傾覆力矩的上限值50%，然而多層住宅建筑中往往含有大量短肢剪力墻（超過50%）或為全短肢剪力墻，此類短肢剪力墻結(jié)構(gòu)[4]體系是否成立，應(yīng)該如何設(shè)計卻未見規(guī)定。

1.2 短肢剪力墻的受力特性

為明確多層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則，首先需要了解短肢剪力墻的受力特性以及《高規(guī)》相關(guān)規(guī)定的出發(fā)點(diǎn)。《高規(guī)》7.1.8條條文說明指出，短肢剪力墻沿高度方向可能存在較多墻肢出現(xiàn)反彎點(diǎn)，其受力接近異形柱又承擔(dān)較大軸力和剪力，其抗震性能較差，并且震區(qū)應(yīng)用經(jīng)驗不多，因此對高層住宅結(jié)構(gòu)中短肢剪力墻的占比進(jìn)行限制，尤其應(yīng)避免剪力墻全為短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)形式?！陡咭?guī)》7.1.7條條文說明指出，墻柱均為壓彎構(gòu)件，破壞狀態(tài)和計算原理基本相同，但配筋構(gòu)造和計算方法不相同?！陡咭?guī)》7.2.2條條文說明指出，為防止短肢剪力墻因受荷范圍過大造成過早壓壞導(dǎo)致樓板坍塌，對短肢剪力墻的軸壓比進(jìn)行了嚴(yán)格限制；一字形短肢剪力墻的延性和平面外穩(wěn)定性均較差，因此一字形短肢剪力墻及與其平面外相交的單側(cè)樓面梁均宜避免。

從上述規(guī)定可以看出，短肢剪力墻是一種受力兼具一般剪力墻和異形柱受力特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其延性較差，為防止其過早壓壞，需要嚴(yán)格控制其軸壓比；一字型短肢剪力墻的延性和平面外穩(wěn)定性更為不利，更需嚴(yán)格限制和謹(jǐn)慎對待。

2 多層結(jié)構(gòu)中短肢剪力墻的設(shè)計方法

2.1 結(jié)構(gòu)體系的選擇

2.1.1 豎向構(gòu)件的類型

對于豎向構(gòu)件，當(dāng)墻肢截面高度與厚度之比不大于4時為異形柱，墻肢截面高度與厚度之比大于4不大于8時為短肢剪力墻，墻肢截面高度與厚度之比大于8時為一般剪力墻。

2.1.2 結(jié)構(gòu)體系的判定

在多層住宅建筑中，對于大量短肢剪力墻或全短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)，由于其短肢剪力墻一般較短，結(jié)構(gòu)整體更加接近類似框架結(jié)構(gòu)的剪切變形和框剪結(jié)構(gòu)的彎剪變形的模式。因此，在計算結(jié)構(gòu)底部總地震傾覆力矩的占比時，可將出現(xiàn)反彎點(diǎn)的短肢剪力墻統(tǒng)計為異形柱，其余短肢剪力墻統(tǒng)計為短肢剪力墻（簡稱真短肢剪力墻），真短肢剪力墻的占比需滿足高規(guī)對于短肢剪力墻承擔(dān)的底部傾覆力矩的限制，以滿足規(guī)范的協(xié)調(diào)性和一致性。同時，按照《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[5]（簡稱《異柱規(guī)》）3.1.6條，根據(jù)結(jié)構(gòu)底層框架部分（包括異形柱和統(tǒng)計為異形柱的短支剪力墻）傾覆力矩的占比，確定結(jié)構(gòu)體系和相應(yīng)的設(shè)計方法。

2.2 豎向構(gòu)件的設(shè)計與構(gòu)造

2.2.1 結(jié)構(gòu)分析與內(nèi)力計算

在國內(nèi)主流的結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件PKPM和盈建科中，選用柱單元和墻單元進(jìn)行計算，內(nèi)力分析結(jié)果存在著一些不同。柱為桿單元，剪力墻為殼單元，其單元網(wǎng)格劃分不同。柱與梁端形成剛域，剪力墻與梁端不考慮剛域。柱與剪力墻的軸壓比的計算方式和傾覆力矩統(tǒng)計不同，柱有兩個方向的傾覆力矩，剪力墻一般僅考慮面內(nèi)的傾覆力矩作用。在進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計時，柱的內(nèi)力需要進(jìn)行強(qiáng)柱根、強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)角柱等調(diào)整，短肢剪力墻對各層進(jìn)行了剪力調(diào)整。

在多層建筑中，可仍按照墻肢截面的高度和墻厚的比值確定柱單元和墻單元的選擇。由于易出現(xiàn)反彎點(diǎn)的短肢墻長度一般較短，墻元尺寸一般選擇1m的情況下，與柱單元的劃分接近。節(jié)點(diǎn)剛域的取值對結(jié)構(gòu)的剛度和內(nèi)力分布有一定的影響，但對總體的影響不大。設(shè)計時，可不考慮柱端的剛域而僅考慮梁端的剛域，這對于柱和剪力墻的截面設(shè)計是偏于安全的，同時也減小了梁端的配筋，起到了強(qiáng)柱弱梁的作用。傾覆力矩的統(tǒng)計主要影響結(jié)構(gòu)體系的判斷，尤其是對于一字型短肢剪力墻較多的情況，應(yīng)只考慮剪力墻面內(nèi)貢獻(xiàn)，面外貢獻(xiàn)計入框架中，同時將出現(xiàn)反彎點(diǎn)的短肢剪力墻按異形柱進(jìn)行統(tǒng)計，以確定結(jié)構(gòu)體系和設(shè)計方法，但其軸壓比、抗震等級等仍應(yīng)滿足對于短肢剪力墻的要求。多層建筑底部加強(qiáng)部位為一層，剪力墻的剪力放大系數(shù)略大于底層柱下端截面的彎矩放大系數(shù)，其余各層同樣進(jìn)行了剪力放大，起到了類似于柱的強(qiáng)柱根和強(qiáng)剪弱彎的作用，而強(qiáng)柱弱梁和強(qiáng)角柱則可通過配筋形式來進(jìn)行調(diào)整，因此對于受力接近于異形柱的短肢剪力墻而言，同樣能夠滿足抗震概念設(shè)計的要求。

2.2.2 截面配筋及構(gòu)造

（1）軸壓比。短肢剪力墻承擔(dān)較大軸力和剪力時，其抗震性能較差，因此對于多層建筑中的短肢剪力墻，仍應(yīng)參照《高規(guī)》7.2.2條的軸壓比限值進(jìn)行。

（2）截面配筋。短肢剪力墻受力形式接近異形柱，其配筋應(yīng)同時滿足短肢剪力墻和異形柱的要求。短肢剪力墻的全部豎向鋼筋的配筋率和肢端的豎向鋼筋配筋率應(yīng)同時滿足《高規(guī)》7.2.2條和《異柱規(guī)》6.2.5條的要求。對于出現(xiàn)反彎點(diǎn)的短肢剪力墻墻，可將計算所需的縱筋面積全部配置在肢端，增加其實際受彎承載力，對于在建筑角部和樓梯間的，其邊緣構(gòu)件的縱筋直徑不應(yīng)小于14mm，以滿足強(qiáng)柱弱梁和強(qiáng)角柱的抗震概念設(shè)計要求。對于出現(xiàn)反彎點(diǎn)的短肢剪力墻，箍筋應(yīng)設(shè)加密區(qū)，其最外圈箍筋應(yīng)閉合，箍筋的直徑、間距、體積配箍率等均應(yīng)同時滿足對短肢剪力墻和異形柱的要求。

3 短肢剪力墻多層結(jié)構(gòu)案例

3.1 工程概況

某一短肢剪力墻多層別墅，地上3層，首層層高3.6m，二、三層層高3.3m，房屋高度為10.5m?？拐鹪O(shè)防烈度Ⅶ度（0.1g），場地土類別Ⅱ類，設(shè)計地震分組第二組，豎向構(gòu)件厚度均為200mm。采用PKPM進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計算，建模方式、單元選擇和參數(shù)設(shè)置等均按照上文所述。結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置

3.2 分析計算結(jié)果

3.2.1 小震彈性分析結(jié)果

按照上述結(jié)構(gòu)體系判定方法，將出現(xiàn)反彎點(diǎn)的短肢剪力墻統(tǒng)計為異形柱。在小震工況下，讀取各豎向構(gòu)件的計算地震剪力，通過∑M=∑V×H計算底層各部分地震傾覆力矩占比為：X方向框架部分75.8%，真短肢剪力墻24.2%，一般剪力墻0%；Y方向框架部分65.4%，真短肢剪力墻14.7%，一般剪力墻19.9%。真短肢剪力墻占比滿足規(guī)范要求，應(yīng)按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計，框架和剪力墻部分的抗震等級均為三級，短肢剪力墻軸壓比按0.55控制（一字型按0.45）。

小震計算結(jié)果如下：第一周期為X向平動，T1=0.4137s，第二周期為Y向平動，T2=0.3809s；地震工況下的最大層間位移角為X向1/1619、Y向1/2101，均發(fā)生在2層；地震工況下的最大位移比為X向1.23（2層）、Y向1.18（1層）；地震工況下的最大層間位移比為X向1.24（2層）、Y向1.28（3層）；小震基底剪力為X向1082.8kN、Y向1387.4kN；豎向構(gòu)件最大軸壓比為0.39。小震計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

3.2.2 大震靜力彈塑性分析結(jié)果

為全面了解短肢剪力墻多層結(jié)構(gòu)的抗震能力，采用PKPM的靜力推覆分析模塊對上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力彈塑性分析。推覆沿著X、Y方向分兩次進(jìn)行，采用倒三角形荷載，水平地震影響系數(shù)最大值A(chǔ)max=0.5，特征周期Tg=0.45s。X、Y向大震推覆分析驗算分別如圖2、圖3所示。

圖2 X向大震推覆分析驗算

圖3 Y向大震推覆分析驗算

分析結(jié)果表明：X、Y向的大震彈塑性分析基底剪力分別為5422.6kN和5373.1kN，與小震CQC算得剪力的比值在分別為5.00、3.87，在3.0~5.0左右的可接受區(qū)間范圍內(nèi)，地震力滿足要求。X、Y方向大震下能力譜與需求譜曲線均有交點(diǎn)，罕遇地震作用下樓層的最大層間位移角為X向1/283、Y向1/273，均遠(yuǎn)小于規(guī)范限值，且經(jīng)過性能點(diǎn)后，結(jié)構(gòu)仍有相當(dāng)?shù)淖冃文芰?。整個靜力推覆過程中，塑性鉸最先出現(xiàn)在梁上，梁鉸充分發(fā)展后，剪力墻上逐漸出現(xiàn)塑性鉸，與預(yù)期塑性化過程吻合，且墻鉸比例僅為7.8%（X向推覆）、7.65%（Y向推覆），結(jié)構(gòu)仍具有較強(qiáng)的側(cè)向荷載抗力。整體結(jié)果表明大量短肢剪力墻應(yīng)用在多層建筑中仍能保證結(jié)構(gòu)安全，滿足“大震不倒”的要求。

4 結(jié)論和建議

本文研究分析了多層短肢剪力墻住宅結(jié)構(gòu)的受力特性及設(shè)計方法。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系判定時，可將具有反彎點(diǎn)的短肢剪力墻統(tǒng)計為異形柱，以計算真短肢剪力墻和異形柱的底部傾覆彎矩占比，真短肢剪力墻占比需滿足《高規(guī)》7.1.8條的要求，結(jié)構(gòu)體系按《異柱規(guī)》3.1.6條判定。具有反彎點(diǎn)的短肢剪力墻配筋應(yīng)同時滿足柱和短肢剪力墻的要求，所有短肢剪力墻的軸壓比按照《高規(guī)》7.2.2條進(jìn)行控制。按此方法設(shè)計的多層短肢剪力墻住宅結(jié)構(gòu)的算例結(jié)果表明，此設(shè)計方法概念清晰、安全可靠，能夠滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)，達(dá)到使結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)、合理的目的。