彭建宇 張印濤

短肢剪力墻較多的剪力墻結(jié)構(gòu)(以下簡(jiǎn)稱短肢剪力墻結(jié)構(gòu))有利于住宅建筑布置,克服了框架結(jié)構(gòu)露梁露柱的弊病,容易滿足用戶對(duì)平面靈活分割的要求。同時(shí),通過(guò)使用輕質(zhì)填充墻可大大減輕結(jié)構(gòu)自重,減小結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度,增大結(jié)構(gòu)的自振周期,減小結(jié)構(gòu)地震時(shí)所遭受的地震作用。但由于這種新型結(jié)構(gòu)形式抗震性能較差,地震區(qū)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不多,為了安全起見,《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)對(duì)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的最大適用高度、使用范圍等作了適當(dāng)?shù)南拗?并規(guī)定了一系列的抗震加強(qiáng)措施。

1 工程實(shí)例

北京地區(qū)某住宅小區(qū),其中多層住宅樓(4層～6層)11棟、高層住宅(12層)6棟、公共建筑1棟,共計(jì)18棟樓,總建筑面積約12萬(wàn)m2。為了滿足開發(fā)商的要求,除公共建筑外,多層及高層住宅設(shè)計(jì)均采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)方案。其中某棟高層住宅標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置見圖1。

主體結(jié)構(gòu)計(jì)算采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院開發(fā)的SATWE程序進(jìn)行分析計(jì)算。結(jié)構(gòu)布置時(shí)結(jié)合建筑平面和使用功能,將橫向一般剪力墻主要布置于房屋端部,以控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)及橫向側(cè)移;將縱向一般剪力墻布置于房屋中部,以控制結(jié)構(gòu)的縱向側(cè)移;同時(shí),在電梯間處布置剪力墻筒體,其他部位則布置短肢剪力墻。這樣就形成了短肢剪力墻、一般剪力墻與剪力墻筒體共同抵抗水平力的剪力墻結(jié)構(gòu)。經(jīng)計(jì)算,縱橫兩方向短肢墻第一振型底部地震傾覆力矩百分比均小于50%,滿足規(guī)范要求。

2 設(shè)計(jì)心得

2.1 關(guān)于短肢剪力墻的定義和布置

1)根據(jù)《高規(guī)》7.1.2條,短肢剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比為5～8的剪力墻。各地方標(biāo)準(zhǔn)對(duì)短肢剪力墻的判定有所不同,例如按照《北京市建筑設(shè)計(jì)技術(shù)細(xì)則——結(jié)構(gòu)專業(yè)》對(duì)短肢剪力墻的定義是:墻肢截面高度與厚度之比為5～8的剪力墻,但當(dāng)墻肢兩側(cè)均與較強(qiáng)連梁(連梁跨高比 Lb/hb≤2.5)相連,或墻長(zhǎng)雖然較短但與翼墻相連(其中翼墻長(zhǎng)度不應(yīng)小于翼墻厚度的3倍),這種情況下的墻肢不判定為短肢剪力墻。另外,廣東省實(shí)施的《高規(guī)》補(bǔ)充規(guī)定的3.2.3條規(guī)定:當(dāng)剪力墻截面厚度不小于層高的1/15,且不小于300 mm,高度與厚度之比大于4時(shí)仍屬一般剪力墻。2)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是短肢剪力墻不僅要承擔(dān)較大的水平力,還要承擔(dān)建筑物大部分豎向荷載,有的工程達(dá)到80%以上。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)往往是由短肢剪力墻與跨度較大的樓板或梁(弱連梁)形成的結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)體系類似于對(duì)抗震不利的較弱的框架或板柱框架結(jié)構(gòu)。特別是較大面積連續(xù)布置短肢墻,將對(duì)進(jìn)入彈塑性階段后能否繼續(xù)抵抗地震作用和承受豎向荷載造成危險(xiǎn)。因此必須與一般剪力墻或剪力墻筒體共同使用,以增加抗震防線。高層建筑結(jié)構(gòu)不應(yīng)采用全部為短肢剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)。短肢剪力墻較多時(shí),應(yīng)布置筒體(或一般剪力墻),形成短肢剪力墻與筒體(或一般剪力墻)共同抵抗水平力的剪力墻結(jié)構(gòu)?？拐鹪O(shè)計(jì)時(shí),筒體和一般剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩不宜小于結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩的50%[1]。同時(shí),短肢剪力墻沿結(jié)構(gòu)平面宜均勻布置,盡量做到對(duì)齊、拉直,使結(jié)構(gòu)的剛心和質(zhì)心接近重合,以減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。對(duì)于多層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)而言,各層短肢剪力墻的總截面面積不應(yīng)超過(guò)本層總剪力墻截面面積的2/3,任一層短肢剪力墻承受的水平剪力不應(yīng)小于總基底剪力的20%。

2.2 關(guān)于結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算,首先要選用合適的計(jì)算軟件,合理地選擇計(jì)算分析方法,確定計(jì)算模型和相關(guān)參數(shù),并加強(qiáng)對(duì)計(jì)算結(jié)果合理性的判斷,特別要加強(qiáng)概念設(shè)計(jì)。一般來(lái)說(shuō),短肢剪力墻是由于對(duì)一般剪力墻進(jìn)行大開口而形成的,所以,基本上與普通剪力墻結(jié)構(gòu)分析相同,可采用三維桿系—薄壁柱空間分析方法,或空間桿—墻組元分析方法。前者如建研院的TBSA,TAT,廣東省建筑設(shè)計(jì)院的廣廈CAD的SS模塊,后者如建研院的TBSSAP,SATWE,清華大學(xué)的TUS,廣東省建筑設(shè)計(jì)院的SSW等。其中空間桿—墻組元分析方法的計(jì)算模型更符合實(shí)際,精度更高。

2.3 抗震薄弱環(huán)節(jié)及加強(qiáng)措施

有關(guān)振動(dòng)臺(tái)模擬地震試驗(yàn)結(jié)果表明,建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢、底部外圍的小墻肢、連梁等是短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)有扭轉(zhuǎn)效應(yīng),建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢會(huì)首先開裂;在地震作用下,高層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)將以整體彎曲變形為主,底部外圍的小墻肢,截面面積小且承受較大的豎向荷載,破壞嚴(yán)重,尤其以一字形小墻肢破壞最為嚴(yán)重[2]。在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中,由于墻肢剛度相對(duì)減小,使連梁受剪破壞的可能性增加。因此,在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,針對(duì)這些薄弱環(huán)節(jié),應(yīng)加強(qiáng)概念設(shè)計(jì)和抗震構(gòu)造措施。

1)短肢剪力墻在平面上分布應(yīng)力求均勻,使其剛度中心和建筑物質(zhì)心盡量接近,以減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng);適當(dāng)增加建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢厚度(宜取250 mm,對(duì)底部外圍的小墻肢根據(jù)需要可取用300 mm),加強(qiáng)墻肢端部的暗柱配筋,嚴(yán)格控制墻肢截面的軸壓比不超過(guò)0.6,以提高墻肢的承載力和延性。2)短肢剪力墻的抗震等級(jí)應(yīng)比一般剪力墻的抗震等級(jí)提高一級(jí)采用。短肢剪力墻的剪力設(shè)計(jì)值,不僅底部加強(qiáng)部位應(yīng)按規(guī)范調(diào)整,其他各層也要作相應(yīng)調(diào)整,一、二級(jí)抗震等級(jí)應(yīng)分別乘以增大系數(shù)1.4和1.2;抗震設(shè)計(jì)時(shí),短肢剪力墻截面的縱向鋼筋的配筋率,底部加強(qiáng)部位不宜小于1.2%,其他部位不宜小于1.0%。3)高層結(jié)構(gòu)中連梁是一個(gè)耗能構(gòu)件,連梁的剪切破壞會(huì)使結(jié)構(gòu)的延性降低,對(duì)抗震不利,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意對(duì)連梁進(jìn)行“強(qiáng)剪弱彎”的驗(yàn)算,保證連梁的受彎屈服先于剪切破壞;短肢剪力墻宜在兩個(gè)方向均有梁與之拉結(jié),連梁宜布置在各肢的平面內(nèi),盡量避免采用一字形墻肢。4)一字形短肢剪力墻平面外不宜布置與之單側(cè)相交的樓面梁。當(dāng)剪力墻外墻(如窗間墻)作為跨度大于6 m的大梁支座時(shí),地震時(shí)在梁側(cè)剪力墻上可能出現(xiàn)豎向裂縫,如果彎矩較大,而剪力墻平面外剛度和承載力不足,會(huì)出現(xiàn)平面外的破壞;而目前有些計(jì)算軟件未給出剪力墻平面外的內(nèi)力和配筋,容易產(chǎn)生安全隱患,設(shè)計(jì)人應(yīng)給予充分的注意。5)對(duì)于墻肢截面高度為厚度3倍～5倍的剪力墻,如按框架柱配筋設(shè)計(jì)時(shí),結(jié)合剪力墻的受力特點(diǎn),墻肢端部的主筋宜適當(dāng)加大,墻肢中部的主筋宜適當(dāng)減小;同時(shí),箍筋配置量應(yīng)滿足剪力墻水平分布鋼筋計(jì)算要求。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于短肢剪力墻結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分重視概念設(shè)計(jì),根據(jù)構(gòu)件受力的特點(diǎn),充分了解其破壞的各種機(jī)理,對(duì)稱、均勻地合理布置短肢墻,正確掌握計(jì)算機(jī)分析和截面設(shè)計(jì)方法,采取有效的抗震構(gòu)造措施,注重細(xì)部設(shè)計(jì),不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn),努力做到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全、經(jīng)濟(jì)、適用。

[1]JGJ 3-2002,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]程紹革.高層建筑短肢剪力墻結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究[J].建筑科學(xué),2000,16(1):12-16.