短肢剪力墙住宅设计思索

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近十几年来，随着人们对住宅，特别是多层、小高层住宅平面与空间设计的要求越来越高，普通框架结构的露梁露柱，普通剪力墙结构对建筑空间的严格限定与分隔已不能满足人们对住宅平面与空间的要求，于是在原有框架结构的基础上，吸收了剪力墙的优点，逐步发展形成了能适应人们新的住宅观念的多层和小高层住宅结构形式，即异形柱框架结构体系和短肢剪力墙结构体系。在高层住宅的设计中，短肢剪力墙结构是应用比较多的一种结构形式，与异形柱框架结构相比，它的抗侧向变形性能好，可适应更高的建筑高度，对于7度和8度抗震设防时，分别可达100m和60m【lJ。同时，与剪墙结构设计的有关问题。对于小高层住宅的结构选型、短肢剪力墙结构设计过程中结构布置、剪力墙数量、截面选择等问题进行了探讨；同时采用SATWE程序对结构进行了分析，并对计算结果作出比较。

1短肢剪力墙的力学性能

1．1短肢剪力墙的定义

短肢剪力墙是联肢剪力墙的一种，《高层建筑混凝土结构技术规程》(JBJ3．2002)对短肢剪力墙的定义是：短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5～8的剪力墙；即短肢剪力墙应满足5≤／h^≤8(1)力墙结构相比，短肢剪力墙结构比较经济、且结构为墙肢截面高度，％为墙肢截面厚度。塑量垦适：奎全二三堡壅，讨论了短肢剪力以上仅从构件的几何尺寸来限定短肢剪力墙是不严格的，因为满足以上条件的各种结构形式，其力学性能差异较大，因而造成短肢剪力墙结构设计的混乱L2J。本文从经济和安全的角度出发，根据短肢剪力墙的力学特性，引入肢强系数‘和整体性系数c【对短肢剪力墙进行限定【4J。(1)短肢剪力墙应满足k[]≤《；，≤[](2)其中，k为系数，0<k<l，经对结构的分析，一般取k=-0．9，II为大多数楼层不出现反弯点时的肢强系数。肢强系数的表达式为=(3)。J，为所有墙肢截面对组合截面形心的二次面积矩之和；，-一组合截面的惯性矩；(2)、短肢剪力墙应满足<10，的表达式为㈩其中，为肢距系数；D为连梁的刚度系数，为各墙肢的总刚度。当剪力墙的墙肢截面形式确定后，值的大小反映了剪力墙矩形洞口宽度的大小，小，洞口的宽度小，大，洞口的宽度大；当墙肢的截面形状和大小确定的情况下，的大小反映了剪力墙矩形洞口的高度，a大，洞口高度小，小，洞151高度大。

1．2整体性系数a对短肢剪力墙的影响

1．2．1整体性系数对侧移曲线的影响

在水平荷载作用下，短肢剪力墙侧移曲线呈明显的弯剪型，即底部数层为弯曲型，受力性能较好；顶部数层为剪切型，受力性能较差。水平均布荷载作用下短肢剪力墙的侧移方程为：=警1吩1]+11I2(1(一去1一+_1]一而1面1+s]]一。0sh(～sinh(ko~H(卜jj，=11+A=+4声一z’’一’为考虑剪切变形的连梁截面等效惯性矩，、厶分别为两墙肢截面惯性矩，4、分别为两墙肢截面面积，H为墙体总高度，h为层高，1为两墙肢形心之间的距离，为连梁的净跨，g为尸t均布荷载的分布集度，=告，k=71。

1．2．2整体性系数对墙肢应力的影响

外荷载产生的倾覆力矩可分解为两部分：两墙肢整体弯曲所抵抗部分和两墙肢局部弯曲所抵抗部分。此时，由两墙肢整体弯曲所抵抗的外荷载倾覆力矩为M=kM(6)由两墙肢局部弯曲所抵抗的外荷载倾覆力矩为M，=(1一k)M(7)为外荷载产生的倾覆力矩，k为两墙肢整体弯曲所抵抗的外荷载倾覆力矩的比例，其表达式为去I竽-cha~+(sha-tz)l(8)为剪力墙相对高度，0为剪力墙的顶部，1为剪力墙的底部。综上所述，在水平均布荷载作用下，双肢对称短肢剪力墙，在肢强系数较大时，侧移曲线反弯点相对高度随整体性系数oc的增大而减小；在肢强系数较小时，侧移曲线反弯点相对高度随整体性系数的增大而增大。整体性系数仅不宜过小。

2高层住宅短肢剪力墙结构设计

2．1工程概况

该工程为鞍山市“都市阳光”住宅小区高层住宅建筑，本文讨论一个伸缩缝区段。建筑面积为3876m，标准层建筑面积为338m。纵向总长度为24．97m，横向总长度为14．3m。开问为3．3m～5．1m，进深为4．5m～6m。层数为十一层，局部跃十二层。其中一至十一层层高为2．9m，十二层层高为2．7m。建筑总高度为36．95m。外墙采用300mm空心砖，内夹70厚水泥聚苯板，内墙采用200厚空心砖。结构形式采用短肢剪力墙。楼盖采用现浇钢筋混凝土肋形楼盖，墙、柱、梁均为现浇，抗震设防烈度为七度。

2．2短肢剪力墙结构设计应注意的问题

(1)严格控制短肢墙的轴压比，尤其是无翼缘或端柱的一字形短肢剪力墙。目前，根据国内外研究结果，在承受压弯作用的剪力墙中，当处于小偏压状态时，墙的延性较差。不仅如此，即使在大偏压状态下，若轴压比较大，混凝土受压区的边缘应力很高，如果混凝土没有约束或约束不够，可能混凝：E先达到极限压应变，出现竖向裂缝，甚至压碎，使构件丧失变形能力和承载能力。因此，在设计时，应严格控制短肢墙的轴压比，以保证短肢墙的延性。

(2)应采取三维计算方法进行结构的动力特性分析和杆件内力计算。这时对于竖向构件又有薄壁杆模型与墙元模型，前者是一种简化模型，但精确度较低：后者是板元与膜元的组合，是一种高精度力学模型。

(3))由于短肢剪力墙结构相对于普通剪力墙结构其抗侧刚度相对较小，设计时宣布置适当数量的长墙，或利用电梯，楼梯间形成刚度较大的内筒，以避免设防烈度下结构产生大的变形，同时也形成两道抗震设防。

(4)各墙肢分布要尽量均匀，使其刚度中心与建筑物的形心尽量接近；抗震设计中，简体和一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构底部地震倾覆力矩的50％，必要时也可以通过增加长肢墙的方法调整刚度中心位置。

(5)短肢剪力墙结构体系的抗震薄弱环节是建筑外边缘及角点处的墙肢，特别是“一字形”短肢剪力墙，可出现先于与其相连的梁破坏的情况。如当高层短肢剪力墙结构有扭转效应时，会加剧已有的翘曲变形，使其墙肢首先开裂。因此，设计时应采取必要的措施，如对位于建筑外边缘及角点处的短肢剪力墙应减小轴压比，增大纵筋和箍筋的配筋率，加强小墙肢的延性抗震性能，避免形成孤立的“一”字形短肢剪力墙，以保证结构的安全性、实用性。

(6)要正确判定短肢剪力墙结构墙肢平面内梁的属性。《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ5—2002)规定：剪力墙开洞形成的跨高比小于5的连梁应按连梁进行设计；当跨高比大于5时宜按框架梁进行设计。连梁的刚度变化，直接影响了结构的总体抗侧移刚度，合理地选择梁的截面和配筋，有利于提高结构的抗震性能。因此’／J、高层住宅短肢剪力墙结构在实际设计时，墙肢刚度可相对减小；连接各墙肢间的梁刚度不应折减。只有这样，才能使梁截面设计易于满足规范的要求，偏于安全。

(7)小高层住宅在设计时，为避免连梁剪切破坏先于弯曲破坏，应满足强剪弱弯的要求；不宜采用窗下墙作为连梁，因为窗下墙高度很大，形成刚度很大的剪切块，不利于结构的抗震设计，所以，宜将连梁设计成为截面、刚度较小的弱连梁。

2．3主体结构设计

(1)结构选型根据开发商的要求，房间内不允许露出柱或梁等结构构件。本工程可供选择的结构方案有异形柱框架剪力墙结构和短肢剪力墙结构。由于异形柱框架结构要求肢高与肢厚之比不应大于4，且柱的净高与柱截面长边尺寸之比不宜小于4、不应小于3J，由此对截面尺寸产生了限制。经初步估算，采用异形柱框架时柱的轴压比超出限值，异形柱框架结构的高度限值为35m，本工程的建筑高度为36．95m[6】。且本市对异形柱框架结构的高度限值更为严格，故决定不采用异形柱框架结构。对于短肢剪力墙结构，经初步估算，其轴压比、侧移、扭转及总高度限值等方面均能满足要求，故最终决定采用短肢剪力墙结构。

(2)结构布置

结合本工程的特点，在结构布置时，以满足结构承载力、控制结构变形、减少扭转、控制轴压比等多方面指标综合确定剪力墙的布置。结构布置主要采取以下措施[9-10]：①根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002。高层建筑结构不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构，本工程沿楼梯间布置长剪力墙，并结合电梯间形成短肢剪力墙．筒体结构。在其余部位，采用小开间布置剪力墙的方式，沿内外墙交接处布置短肢剪力墙。为增加短肢剪力墙的侧向刚度，尽量将短肢剪力墙布置成T形、L形或H形。②合理布置水平抗侧力结构，各个轴线的水平抗侧构件尽量分布均匀、对称，以减少结构的扭转。在布置剪力墙时，随时应用SATWE程序对结构进行分析，并根据分析结果，调整各轴线上的墙肢长度，尽量减少结构的质量中心与刚度中心的偏差。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》，在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1．2倍，不应大于该楼层平均值的1．5倍。本工程控制在1．06倍。一层楼面的刚度中心和质量中心坐标见表1。③控制剪力墙的轴压比不超过规定的限值。本工程为二级抗震等级，按14kN／m估算，将短肢剪力墙的轴压比限制在0．6以下，对于一字型短肢剪力墙，轴压比控制在0．5以下。墙肢长为肢厚的5～8倍，同时要兼顾建筑门窗洞口的要求。剪力墙外墙厚为250nli／1，内墙厚为200mm。±0．000以下墙肢加厚100mm。④保持竖向刚度连续，四层以下采用C40级砼，五～八层采用C35级砼，九层以上采用C30级砼，梁、楼板采用C25砼。剪力墙截面沿竖向不变化。⑤为加强结构整体性，楼屋盖均采用现浇。⑥内墙梁截面宽度为200mm，外墙梁截面宽度为250mm。梁高初步按净跨1／10确定。剪力墙数量布置的的多少，是结构设计中至关重要的一个问题。剪力墙布置的太少，结构侧向刚度小，结构侧移大；剪力墙过多，地震力大，又不经济。在框架．剪力墙结构的设计中我们常采用一些指标来指导我们的剪力墙布置[11-14，如壁率、平均压力、参照实际工程中的剪力墙数量等等。壁率的计算有“单位建筑面积墙长”和“单位建筑面积墙面积”两种计算方法，前者比较粗略，后者反映了墙厚的因素；平均压力是楼层以上重量除以墙、柱截面积，它反映了层数、重量及结构截面积等因素。参照实际工程中的剪力墙数量时我们用“单位建筑面积墙面积”的壁率值加以比较。但是地震力的大小不仅与建筑的质量多少有关，还与建筑的高度有关。所以我认为应该在壁率的计算中引入建筑总高度或建筑层数的因素，既考虑总高度因素的壁率=覆考虑层数因素的壁率=覆但是，考虑高度、层数因素的剪力墙壁率值多少合适，本人还没有统计过，还需要在这一方面做许多理论、实践以及震害调查工作。现将本工程设计中的剪力墙布置情况列于表2。

(3)主要分析结果

SATWE是专门为多高层建筑结构分析而研发的空间组合结构有限元分析软件，适用于各种复杂体型的高层钢筋混凝土结构体系计算。SATWE是以壳元理论为基础构造一通用的超单元墙元为模拟剪力墙，它不仅具有平面内刚度，也具有平面外刚度，可以较好地模拟剪力墙的受力状态。而且墙元的每个节点都具有空间6个自由度，可方便地与任意空间梁柱单元连接，无需任何附加约束。SATWE给楼板4种简化假定，即假定楼板整体平面内无限刚、分块无限刚、分块无限刚带弹性连接板带和弹性楼板。采用SATWE程序进行分析，短肢剪力墙按墙元模型输入，短肢剪力墙间的梁作为连梁计算。结构在风荷载和地震作用下的位移图见图1。从图中可以看到，在地震力和风荷载的作用下，结构的变形接近框一剪结构的弯剪变形。从位移计算结果来看，在前面所确定的“壁率”等指标下，短肢剪力墙结构能够较好的控制结构的位移。部分结果见表3。

3与异形柱框架结构的比较

将本工程与同一小区条件类似并采用异形柱框架结构的工程相比，短肢剪力墙结构具有侧移小、刚度大的优点。短肢剪力墙比异形柱框架钢筋及混凝土用量的数据见表4在墙柱钢筋用量方面，短肢剪力墙比异形柱多4．8kg／m，而梁的钢筋短肢剪力墙比异形柱：少14．87kg／m，这是由于短肢剪力墙结构梁的跨度比异形柱框架梁的跨度小；在墙柱混凝土用量方面，短肢剪力墙比异形柱混凝土用量多0．1／m，梁的混凝土用量短肢剪力墙比异形柱框架结构少0．022m／m。模板总用量短肢剪力墙结构比异形柱框架结构多0．49m2／m。

4结论

短肢剪力墙结构的设计应在限制结构位移、减少扭转、控制轴压比的原则下，合理布置剪力墙的数量和位置，同时采取合理的构造措施，加强楼屋盖的刚度并设置暗柱，提高结构的整体性。在计算剪力墙的壁率时，应考虑建筑总高度和层数的因素，不断积累经验，使其更加合理。