淺議短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

郭　昱（阜陽市建筑設(shè)計(jì)研究院，安徽省阜陽市236000）

淺議短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

郭昱（阜陽市建筑設(shè)計(jì)研究院，安徽省阜陽市236000）

隨著社會的發(fā)展，城市的建設(shè)多以高樓大廈為主，同時(shí)在農(nóng)村多層建筑也是很受人們的喜愛，與此同時(shí)，人們對多層、小高層住宅的要求也隨著升高，普通框架結(jié)構(gòu)和普通剪力墻結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足人們的需要，本文就短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開簡要論述，以期對我國城市建筑行業(yè)提供微薄之力。

短肢剪力墻；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；計(jì)算分析

前言

現(xiàn)如今，隨著人們對多層、小高層住宅要求的升高，普通框架結(jié)構(gòu)露梁露柱嚴(yán)重，普通剪力墻結(jié)構(gòu)空間劃分的嚴(yán)格限制，已經(jīng)越來越不能滿足人們的需求。然后，結(jié)合普通框架結(jié)構(gòu)和普通剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，形成了短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)克服了平常框架和普通剪力墻結(jié)構(gòu)的缺陷，滿足了施工人員空間分割的限制和房間布置的要求，又可以減少剪力墻數(shù)量替代以輕質(zhì)隔墻減輕自重，同時(shí)使得結(jié)構(gòu)剛度減弱，該結(jié)構(gòu)有良好的抗震效果，得到了業(yè)主和工程設(shè)計(jì)人員的肯定，并已逐步推廣。

1　短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系簡介

短肢剪力墻主要是安排在房間隔墻的各個(gè)交點(diǎn)。根據(jù)結(jié)構(gòu)抗側(cè)力和隔墻相交的形式布置適當(dāng)數(shù)量的短腿剪力墻，并在各墻肢處布置連系梁，以此把這些墻連成一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)體系，沒有布置剪力墻的間隔部分則炫耀用輕質(zhì)砌體來填補(bǔ)。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系具有以下特點(diǎn)：

（1）豎向構(gòu)件的布置可與建筑平面相結(jié)合，并將其布置在隔墻位置處。如中心垂直交通區(qū)可以將其變成筒體或短肢剪力墻，基本與建筑的使用不相矛盾，在底部可以與市場服務(wù)用房屋相結(jié)合。

（2）墻的多少和墻肢長短主要視抗側(cè)力的需要而定，靈活的布局，也可以通過不同的大小和布置來調(diào)整剛度和剛心所在的地方。有很多的選擇方案。

（3）連結(jié)各墻的梁，亦隨墻肢位置而位于間隔墻豎平面內(nèi)，屬于隱蔽型的。

（4）采用輕質(zhì)砌塊代替剪力墻，可以降低房屋的總重量，加快施工速度，若發(fā)生地震該結(jié)構(gòu)能有效的減輕地震所在來的損害。

（5）墻肢高寬比較大，延性也比較好，在進(jìn)行拆除時(shí)主要使用彎曲破壞的方法。連梁跨高比較大，發(fā)生地震時(shí)，首先在弱連梁兩端出現(xiàn)塑性鉸，耗能作用很好。

2　結(jié)構(gòu)計(jì)算模型和軟件

關(guān)于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，由于剪力墻是大開口，所以，計(jì)算模型與普通剪力墻結(jié)構(gòu)相同，將結(jié)構(gòu)作為空間體系，梁和柱均采用空間單元，以及剪力墻空間模型?，F(xiàn)如今，我國短肢剪力墻結(jié)構(gòu)常使用中國建筑科學(xué)研究院PKPM-CAD兩個(gè)計(jì)算軟件，分別是：TAT（多層及高層建筑結(jié)構(gòu)三維分析與計(jì)算軟件）和SATWE（高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限及分析與設(shè)計(jì)軟件）。TAT的計(jì)算原理是利用三維空間，對剪力墻采用薄壁柱單元計(jì)算的方式，在計(jì)算梁柱方面，則是使用空間桿系的計(jì)算原理；SATWE SATWE基于殼元理論構(gòu)建了一個(gè)通用的超單元墻元為模擬剪力墻，它不僅具有平面內(nèi)剛度，也具有平面外剛度，可以較好地模擬應(yīng)力剪力墻。剪力墻既有面內(nèi)剛度，又有外平面剛度，地板不僅可以根據(jù)彈性考慮，也可以根據(jù)剛性板考慮，這是一種接近實(shí)際情況的模型。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)針對建筑實(shí)際來選擇合適的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件。

3　短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題

（1）根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究成果，當(dāng)剪力墻被壓彎時(shí)，在小偏心條件下延性較差；在大偏心條件下，軸壓非常大時(shí)，如果混凝土沒有約束或約束不夠，有可能混凝土和鋼筋首先受到損壞。因此，為了保證結(jié)構(gòu)的延性，應(yīng)嚴(yán)格控制短肢剪力墻的軸壓比；

（2）應(yīng)采取的三維計(jì)算方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析和構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算。使用殼元模型時(shí)應(yīng)應(yīng)加細(xì)單元的劃分，有時(shí)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)采用薄壁桿元（TAT）可能是比較合適的。由于短肢剪力墻模型符合薄壁桿件單元的模型，采用殼元就會有單元?jiǎng)澐植粔蚣?xì)的問題出現(xiàn)；

（3）短肢剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)布置一定數(shù)量的筒體或普通剪力墻，以形成共同抵抗水平力的剪力墻結(jié)構(gòu)，可以避免設(shè)防烈度下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的變形在大變形下的設(shè)防烈度結(jié)構(gòu)，也可形成兩個(gè)抗震設(shè)防；

（4）短肢剪力墻應(yīng)均勻布置，墻體的軸向應(yīng)力不能有太大差異。豎向布置短肢剪力墻，盡可能做到墻肢上部和下部對齊、連續(xù)，連續(xù)，盡量避免洞口錯(cuò)位，與連梁一起構(gòu)成連續(xù)跨數(shù)較多的抗側(cè)力體系，短肢剪力墻底部的地震傾覆力矩不應(yīng)超過底部傾覆力矩的50%，否則應(yīng)調(diào)整設(shè)計(jì)，可以增加長肢調(diào)整的剛度中心位置，使剛度中心位置與形心接近；

（5）關(guān)于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)地震的脆弱環(huán)節(jié)，如建筑物的外邊緣和角點(diǎn)處的墻肢，應(yīng)降低軸壓比，增加縱筋和箍筋配筋率，加強(qiáng)小墻肢的延性抗震性能，避免形成孤立的“一”字形短肢剪力墻，以此保證結(jié)構(gòu)和實(shí)用性安全；

（6）短肢墻的連梁不能太強(qiáng)，連梁剛度應(yīng)設(shè)計(jì)成部分的弱連梁，為了滿足強(qiáng)剪弱彎的要求。對跨高比小于5的連梁按連梁設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)，可適當(dāng)減小墻肢的剛度，而對于連接各墻肢的剛度不能減少。

4　短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的受力性能與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1受力性能

剪力墻根據(jù)整體性系數(shù)α及墻肢沿高度上彎矩的變化，可分為下面三種類型：

（1）滿足α≥10，ζ≤［ζ］時(shí)，是整體小開口墻，墻孔面積小，抗側(cè)剛度大，整體性強(qiáng)，墻體界面變形近似符合平截面假定，體截面變形近似符合平截面假定，若發(fā)生變形基本是彎曲變形。

（2）滿足α＜10，ζ≤［ζ］時(shí)，為連肢墻，墻體沿豎向開有一系列較大洞口，整體性不是很強(qiáng)，剪力墻截面變形不再符合平截面假定，墻肢基本不出現(xiàn)反彎點(diǎn)，若發(fā)生變形基本是彎曲變形。

（3）滿足α≥10，ζ＞［ζ］時(shí)，墻孔面積較大，墻肢和連梁形成框架梁柱。結(jié)構(gòu)的梁、柱剛度比大，整體性很強(qiáng)，墻肢大多出現(xiàn)反彎點(diǎn)，按壁式框架考慮。其中，α為剪力墻的整體性系數(shù)，表示連梁與墻肢抗彎剛度的比值，α越大，表面連梁對墻肢的約束越小，結(jié)構(gòu)整體性越好。

為了使短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的墻體的受力性能和變形性能優(yōu)于異形柱，盡可能不將短肢剪力墻框架設(shè)計(jì)成壁式框架?？紤]到短肢剪力墻小、大孔的特點(diǎn)，則不適合設(shè)計(jì)成整體的小開口墻結(jié)構(gòu)，因此綜合安全性和經(jīng)濟(jì)性因素，應(yīng)該把短肢剪力墻設(shè)計(jì)為α＜10，ζ≤［ζ］的連肢墻。

4.2短肢剪力墻的布置

（1）短肢剪力墻根據(jù)均勻性、分散性、對稱性、周邊的原則進(jìn)行布置。均勻、分散是每個(gè)剪力墻側(cè)向剛度的要求，避免出現(xiàn)個(gè)別剛度特別大的剪力墻受力太集中現(xiàn)象的出現(xiàn)。對稱布局，可以使剛心和質(zhì)心兩者重合，避免或減少結(jié)構(gòu)收到的扭矩。剪力墻靠近結(jié)構(gòu)單元的周邊布局，可以增加建筑物的外剛度，減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)周期。

（2）高層建筑不能全是短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。如果短肢剪力墻結(jié)構(gòu)過多，可利用中部的豎向交通中心布置較多的剪力墻，形成完整或較完整的筒體或一般剪力墻來共同抵抗水平力。

（3）短肢剪力墻應(yīng)布置在房間分隔墻的交點(diǎn)處且豎向荷載較大處，方便梁的支撐。在此過程中應(yīng)使其盡量均勻分布，使其軸向應(yīng)力不相差懸殊，而且也便于支撐樓蓋。

（4）短肢剪力墻可以根據(jù)結(jié)構(gòu)受力的實(shí)際需要來確定其數(shù)量和長度?？捎苫咀哉裰芷趤砼袛嗉袅Σ贾檬欠窈侠怼６讨袅?yīng)對齊，并拉直，以形成一個(gè)完整的的抗側(cè)力片。當(dāng)然，不能完全做到時(shí)也容許局部相互錯(cuò)開。

（5）建筑的外凸部分、平面外邊緣和角點(diǎn)處容易產(chǎn)生大的應(yīng)力集中，應(yīng)設(shè)置短肢墻加強(qiáng)其整體性，以滿足平面剛性和抗扭的要求。

（6）采用普通樓板時(shí)，短肢剪力墻的間距不應(yīng)過大，以防止樓板在自身平面內(nèi)變形過大，否則應(yīng)采用預(yù)應(yīng)力樓板。

4.3抗震薄弱環(huán)節(jié)與改善方法

根據(jù)工程實(shí)踐和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位主要包括建筑平面外邊緣、角點(diǎn)處的墻肢、小墻肢、連梁等，當(dāng)發(fā)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時(shí)，建筑平面邊緣和墻角的墻體會先斷裂；在地震作用下，高層的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)較大的整體彎曲變形，周圍的小墻肢由于截面底部的面積小而承受更大的豎向載荷，損壞較為嚴(yán)重。而在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中，墻體的剛度弱化，會增加連梁受剪切破壞可能性增加。因此，設(shè)計(jì)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)過程中需要對結(jié)構(gòu)薄弱部位的設(shè)計(jì)加以強(qiáng)化。如結(jié)構(gòu)布置應(yīng)使其剛心和質(zhì)心的位置越接近越好，減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；對截面的軸壓比進(jìn)行嚴(yán)格控制，保證墻體的承載能力和延性；提高短肢剪力墻的抗震等級；每層短肢剪力墻的剪力設(shè)計(jì)值要做必要的調(diào)整，與此同時(shí)。還要保證墻體截面的縱向鋼筋配筋率。在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意對梁“強(qiáng)剪弱彎”的檢查，確保連梁的彎曲屈先于剪切破壞，進(jìn)而發(fā)揮連梁的作用。

5　結(jié)語

現(xiàn)如今，高層住宅建筑都要求有大開間、平面及房間布置靈活、方便的特點(diǎn)，在對高層住宅建筑的過程中，關(guān)于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用發(fā)展前景非常廣闊。在短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意正確測定短肢剪力墻和短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，為了更好的掌握結(jié)構(gòu)承載能力的有異性；必須結(jié)合短腿剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，以及對墻的合理布局；并針對該結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)抗震薄弱環(huán)節(jié)，加強(qiáng)設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，從而做出安全、經(jīng)濟(jì)、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

［1］張王送.短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)［J］.安徽建筑，2005，12（6）.

［2］《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ5-2002）［S］.

［3］于 群.小高層住宅中短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)用［J］.中國科技信息，2005（19A）.

［4］楊星.PKPM軟件從入門到精通.

TU398.2

A

2095-2066（2016）25-0189-02

2016-8-22

郭 昱（1975-），男，工程師，本科，從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。