張建敏

中小高層建筑中短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計

張建敏

介紹了短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、應(yīng)用范圍及布置原則,探討了關(guān)于短肢剪力墻體系的判定方法,并闡述了短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震要求及其一些設(shè)計要點(diǎn),對工程設(shè)計有著重要的指導(dǎo)意義。

中小高層建筑結(jié)構(gòu),短肢剪力墻,結(jié)構(gòu)設(shè)計

0 引言

近年來,由于住宅需求增加、土地供應(yīng)緊張等原因,中小高層住宅逐漸受到開發(fā)商和住戶的青睞。設(shè)計者為了滿足人們對于住宅的空間結(jié)構(gòu)和平面布局越來越高的要求,將短肢剪力墻結(jié)構(gòu)廣泛地應(yīng)用于中小高層住宅建筑中。在結(jié)構(gòu)布置時,利用樓梯間、電梯間、山墻和分戶墻設(shè)置部分一般剪力墻,其余布置短肢剪力墻,這樣的布置既能使大廳和臥室中沒有凸出的梁和柱,又能通過調(diào)整墻體的位置,適應(yīng)現(xiàn)代居住空間要求的大空間和靈活性,并且該結(jié)構(gòu)體系能進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)自重,降低基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)的造價。因此,如何對短肢剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行正確判斷和合理設(shè)計,成為了目前備受關(guān)注的重點(diǎn)問題。

1 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系

短肢剪力墻是近年來在我國興起的一種抗側(cè)力構(gòu)件,它既保留了異形柱不凸出墻面的特點(diǎn),又克服了異形柱抗震性能不理想等缺點(diǎn)。我國的中小高層住宅建筑一般不超過 30層(高度在 100m以下),開間也不大(一般在 3.3m～4.5m之間),所以住宅建筑中剪力墻的豎向荷載和水平荷載都不太大,因此剪力墻墻肢的截面高度可以做的比較小,即所謂短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系。我國 JGJ 3-2002高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程規(guī)定,短肢剪力墻是指墻肢截面的高度與厚度之比為5～8的剪力墻。通常短肢剪力墻墻肢的厚度為 200mm～250mm,長度為 1 000mm～2 000mm,在布置形式上常采用“T”字形、“L”形、“十”字形、“Z”字形、折線形、“一”字形等形式。

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)：1)結(jié)合建筑平面利用間隔墻位置來布置豎向構(gòu)件,基本上不與建筑使用功能產(chǎn)生沖突,底部能與商場等服務(wù)用房相結(jié)合。2)布置靈活,可選擇的樓蓋類型較多。3)剪力墻的間距大,構(gòu)件受力明確,傳遞路線簡潔。4)短肢墻的數(shù)量、位置和墻肢長度,主要依據(jù)結(jié)構(gòu)抗側(cè)力的大小而定。5)由于減少剪力墻的數(shù)量且局部以輕質(zhì)墻體替代,建筑物的自重減輕,這樣可以減小地震反應(yīng)和降低工程造價。6)短肢高寬比增大,延性較好,其破壞以彎曲破壞類型為主。7)連梁跨高比較大,其破壞以彎曲破壞為主,地震作用下首先在連梁的端部出現(xiàn)塑性鉸,能起到很好的耗能作用。

短肢剪力墻的應(yīng)用范圍為：1)B級高度高層建筑和 9度抗震設(shè)計的A級高度高層建筑,即使置筒體,也不能采用。2)其最大適用高度比《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》表 4.2.2-1中剪力墻結(jié)構(gòu)的規(guī)定值適當(dāng)降低,且 7度和 8度抗震設(shè)計時分別不應(yīng)大于 100m和 60m。

2 短肢剪力墻的布置原則

1)短肢剪力墻主要布置在房間間隔墻的交接處,墻肢的數(shù)量要根據(jù)具體的抗側(cè)力要求進(jìn)行確定,不能過多或過少,以免結(jié)構(gòu)過剛或者過柔。2)短肢剪力墻應(yīng)該盡量均勻布置,以保證建筑物的剛心和質(zhì)心相一致,避免在地震中發(fā)生扭轉(zhuǎn)。3)在結(jié)構(gòu)布置上,要使短肢剪力墻盡量對齊拉直,使其形成成片的聯(lián)肢抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。4)當(dāng)水平荷載較大時或者建筑物造型不規(guī)則時,應(yīng)該在平面外各角點(diǎn)及邊緣處布置短肢剪力墻來滿足結(jié)構(gòu)平面剛度的要求和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性。5)為了避免墻肢凸出各間隔墻表面,墻肢一般不宜過厚。

3 短肢剪力墻的判定方法

設(shè)計為短肢剪力墻的必要條件為：抗震設(shè)計時,短肢墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩不大于結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩的50%。

另外,設(shè)計者在進(jìn)行設(shè)計時,可根據(jù)不同的設(shè)計階段選用不同的判定方法來滿足不同階段的設(shè)計要求：1)在方案設(shè)計階段,結(jié)構(gòu)的主要任務(wù)是結(jié)構(gòu)選型,包括豎向及抗側(cè)力體系,樓屋面結(jié)構(gòu)體系等。這時,當(dāng)然應(yīng)該采用復(fù)合面積法或截面面積法,在方案階段大致判斷是屬于短肢剪力墻較多結(jié)構(gòu)體系,目的是控制結(jié)構(gòu)總高度和抗震等級等原則性問題?？紤]到實(shí)際情況,截面一般沒有確定,采用負(fù)荷面積法是最直觀的方法。也就是說當(dāng)由短肢剪力墻負(fù)荷的樓面面積與全部樓面面積之比超過 50%時,應(yīng)定義為短肢剪力墻較多結(jié)構(gòu)體系。2)在初步設(shè)計階段和施工圖階段,此時截面基本確定,可采用截面面積法初步判斷是否為短肢剪力墻結(jié)構(gòu),然后在詳細(xì)計算時則應(yīng)按短肢剪力墻承受的傾覆力矩可占結(jié)構(gòu)底部總傾覆力矩的40%～50%時,認(rèn)為是短肢剪力墻較多結(jié)構(gòu)體系,目的是用于調(diào)整墻肢的布置和多少,確保構(gòu)件安全。3)對于多層建筑,可適當(dāng)放寬短肢剪力墻的負(fù)荷面積比例。即當(dāng)由短肢剪力墻負(fù)荷的樓面面積與全部樓面面積之比超過 60%時,定義為剪力墻較多結(jié)構(gòu)體系。

4 短肢剪力墻的抗震加強(qiáng)

由于短肢剪力墻抗震性能相對較差,在設(shè)計選用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)時,需加強(qiáng)概念設(shè)計,提高規(guī)范要求。對一些不利部位加強(qiáng)構(gòu)造措施,在符合規(guī)范要求的情況下,短肢墻是較為可靠的。

在抗震設(shè)計時,規(guī)范要求：1)短肢剪力墻的抗震等級應(yīng)比《高規(guī)》4.8.2規(guī)定的剪力墻的抗震等級提高一級采用,以從構(gòu)造上改善短肢剪力墻的延性。2)各層短肢剪力墻在重力荷載代表值作用下產(chǎn)生的軸力設(shè)計值的軸壓比,抗震等級為一、二、三級時分別不宜大于 0.5,0.6和 0.7;對于無翼緣或端柱的一字形短肢剪力墻,其軸壓比限值相應(yīng)降低 0.1。3)除底部加強(qiáng)部位應(yīng)按《高規(guī)》7.2.10條調(diào)整剪力設(shè)計值外,其他各層短肢剪力墻的剪力設(shè)計值,一、二級抗震等級應(yīng)分別乘以增大系數(shù) 1.4和 1.2。4)短肢剪力墻截面的全部縱向鋼筋的配筋率,底部加強(qiáng)部位不宜小于1.2%,其他部位不宜小于 1.0%。5)短肢剪力墻截面厚度不應(yīng)小于 200mm。6)7度和 8度抗震設(shè)計時,短肢剪力墻宜設(shè)置翼緣。“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。7)《高規(guī)》7.2.1條文規(guī)定了帶有筒體和短肢剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C25。

5 設(shè)計有關(guān)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)時還應(yīng)注意的一些問題

1)高層點(diǎn)(板)式住宅采用短肢抗震墻結(jié)構(gòu)體系,只要抗側(cè)力構(gòu)件布局合理仍然是比較理想的一種結(jié)構(gòu)體系,但在地震區(qū),高層建筑中,剪力墻不宜過少,墻肢不宜過短,因此不應(yīng)設(shè)計僅有短肢剪力墻的高層建筑,要求設(shè)置剪力墻筒體(或一般剪力墻),形成短肢剪力墻與筒體(一般剪力墻)共同抵抗水平力的結(jié)構(gòu)。2)短肢墻的布置合理、對稱、均勻,力求質(zhì)量中心與剛度中心重合,短肢墻布置應(yīng)以 T形、L形、]形、十形為主,這樣可增加短肢墻抗扭和出平面外穩(wěn)定。3)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位是建筑平面外邊緣的角部處的墻肢,當(dāng)有扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時,會加劇已有的翹曲變形,使其墻肢首先開裂,因此應(yīng)加強(qiáng)其抗震構(gòu)造措施,如減小軸壓比、增加縱筋和箍筋的配筋率。4)主要抗側(cè)力結(jié)構(gòu)筒體(或長墻)一般利用樓、電梯間,但要注意剛度的均衡性,不要集中在一處布置使建筑產(chǎn)生過大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),同時筒體要有足夠的剛度,其平面尺寸不宜過小,要使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%,形成多道抗震防線,為了確保水平力可靠傳遞,核心區(qū)樓板適當(dāng)加厚,與核心筒相連的連梁按強(qiáng)剪弱彎設(shè)計,短肢墻之間的梁凈跨不宜過小(一般取 4m～6 m),使其具有一定的耗能作用。5)各短肢墻應(yīng)盡量對齊、拉直,使之與連梁一起構(gòu)成較規(guī)則且連續(xù)均勻的抗側(cè)力片。并且每道短肢墻宜有兩個方向的梁與之連接。短肢墻的數(shù)量可多可少,肢長可長可短,主要視抗側(cè)力的需要而定,還可以通過不同尺寸和布置調(diào)整剛度和剛度中心位置。6)短肢剪力墻—筒體(或一般剪力墻)結(jié)構(gòu)體系,電算分析力學(xué)模型建議采用高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析軟件SATWE,短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系考慮,各部位宜取兩種力學(xué)模型分析結(jié)果的不利工況,短肢墻之間的梁應(yīng)根據(jù)跨高比的不同分別按連梁、框架梁計算內(nèi)力和配筋(即一般情況下,當(dāng)短剪力墻洞口形成的跨高比小于 5的連梁,應(yīng)按連梁進(jìn)行設(shè)計;當(dāng)跨高比不小于 5時,宜按框架梁進(jìn)行設(shè)計),短肢墻仍屬于剪力墻的范疇,配筋可采用一般剪力墻的計算方法,但是對于長寬比小于 3的短肢墻則必須按柱的方法進(jìn)行設(shè)計。注意整體計算需考慮填充墻對建筑基本自振周期影響,折減系數(shù)可取 0.8～0.9。

6 結(jié)語

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是一種性價比較高的結(jié)構(gòu)體系。只要設(shè)計者能熟悉相關(guān)技術(shù)資料,根據(jù)其受力特點(diǎn)充分了解其破壞機(jī)理,選擇適合的計算軟件、分析方法、計算模型和相關(guān)參數(shù),對計算結(jié)果合理性判斷,保證結(jié)構(gòu)的整體抗震性能,使整個結(jié)構(gòu)具有必要的承載能力、剛度和延性,在符合規(guī)范要求的情況下,短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系能夠得到廣泛的運(yùn)用。隨著設(shè)計技術(shù)的進(jìn)一步提高,短肢剪力墻結(jié)構(gòu)也將得到更加良好的發(fā)展。

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