關于短肢剪力墻結構設計的探討

彭建宇 張印濤

短肢剪力墻較多的剪力墻結構(以下簡稱短肢剪力墻結構)有利于住宅建筑布置,克服了框架結構露梁露柱的弊病,容易滿足用戶對平面靈活分割的要求。同時,通過使用輕質填充墻可大大減輕結構自重,減小結構的側向剛度,增大結構的自振周期,減小結構地震時所遭受的地震作用。但由于這種新型結構形式抗震性能較差,地震區應用經驗不多,為了安全起見,《高層建筑混凝土結構技術規程》(以下簡稱《高規》)對短肢剪力墻結構抗震設計的最大適用高度、使用范圍等作了適當的限制,并規定了一系列的抗震加強措施。

1 工程實例

北京地區某住宅小區,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18棟樓,總建筑面積約12萬m2。為了滿足開發商的要求,除公共建筑外,多層及高層住宅設計均采用短肢剪力墻結構方案。其中某棟高層住宅標準層結構平面布置見圖1。

主體結構計算采用中國建筑科學研究院開發的SATWE程序進行分析計算。結構布置時結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,以控制結構的扭轉效應及橫向側移;將縱向一般剪力墻布置于房屋中部,以控制結構的縱向側移;同時,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構。經計算,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%,滿足規范要求。

2 設計心得

2.1 關于短肢剪力墻的定義和布置

1)根據《高規》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。各地方標準對短肢剪力墻的判定有所不同,例如按照《北京市建筑設計技術細則——結構專業》對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,但當墻肢兩側均與較強連梁(連梁跨高比 Lb/hb≤2.5)相連,或墻長雖然較短但與翼墻相連(其中翼墻長度不應小于翼墻厚度的3倍),這種情況下的墻肢不判定為短肢剪力墻。另外,廣東省實施的《高規》補充規定的3.2.3條規定:當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時仍屬一般剪力墻。2)短肢剪力墻結構的特點是短肢剪力墻不僅要承擔較大的水平力,還要承擔建筑物大部分豎向荷載,有的工程達到80%以上。短肢剪力墻結構往往是由短肢剪力墻與跨度較大的樓板或梁(弱連梁)形成的結構,其結構體系類似于對抗震不利的較弱的框架或板柱框架結構。特別是較大面積連續布置短肢墻,將對進入彈塑性階段后能否繼續抵抗地震作用和承受豎向荷載造成危險。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。高層建筑結構不應采用全部為短肢剪力墻的剪力墻結構。短肢剪力墻較多時,應布置筒體(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構。抗震設計時,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構總底部地震傾覆力矩的50%[1]。同時,短肢剪力墻沿結構平面宜均勻布置,盡量做到對齊、拉直,使結構的剛心和質心接近重合,以減少結構的扭轉效應。對于多層短肢剪力墻結構而言,各層短肢剪力墻的總截面面積不應超過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小于總基底剪力的20%。

2.2 關于結構計算分析

短肢剪力墻結構的計算,首先要選用合適的計算軟件,合理地選擇計算分析方法,確定計算模型和相關參數,并加強對計算結果合理性的判斷,特別要加強概念設計。一般來說,短肢剪力墻是由于對一般剪力墻進行大開口而形成的,所以,基本上與普通剪力墻結構分析相同,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,廣東省建筑設計院的廣廈CAD的SS模塊,后者如建研院的TBSSAP,SATWE,清華大學的TUS,廣東省建筑設計院的SSW等。其中空間桿—墻組元分析方法的計算模型更符合實際,精度更高。

2.3 抗震薄弱環節及加強措施

有關振動臺模擬地震試驗結果表明,建筑平面外邊緣及角點處的墻肢、底部外圍的小墻肢、連梁等是短肢剪力墻結構的抗震薄弱環節。當有扭轉效應,建筑平面外邊緣及角點處的墻肢會首先開裂;在地震作用下,高層短肢剪力墻結構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,破壞嚴重,尤其以一字形小墻肢破壞最為嚴重[2]。在短肢剪力墻結構中,由于墻肢剛度相對減小,使連梁受剪破壞的可能性增加。因此,在短肢剪力墻結構設計中,針對這些薄弱環節,應加強概念設計和抗震構造措施。

1)短肢剪力墻在平面上分布應力求均勻,使其剛度中心和建筑物質心盡量接近,以減小結構的扭轉效應;適當增加建筑平面外邊緣及角點處的墻肢厚度(宜取250 mm,對底部外圍的小墻肢根據需要可取用300 mm),加強墻肢端部的暗柱配筋,嚴格控制墻肢截面的軸壓比不超過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應比一般剪力墻的抗震等級提高一級采用。短肢剪力墻的剪力設計值,不僅底部加強部位應按規范調整,其他各層也要作相應調整,一、二級抗震等級應分別乘以增大系數1.4和1.2;抗震設計時,短肢剪力墻截面的縱向鋼筋的配筋率,底部加強部位不宜小于1.2%,其他部位不宜小于1.0%。3)高層結構中連梁是一個耗能構件,連梁的剪切破壞會使結構的延性降低,對抗震不利,設計時應注意對連梁進行“強剪弱彎”的驗算,保證連梁的受彎屈服先于剪切破壞;短肢剪力墻宜在兩個方向均有梁與之拉結,連梁宜布置在各肢的平面內,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相交的樓面梁。當剪力墻外墻(如窗間墻)作為跨度大于6 m的大梁支座時,地震時在梁側剪力墻上可能出現豎向裂縫,如果彎矩較大,而剪力墻平面外剛度和承載力不足,會出現平面外的破壞;而目前有些計算軟件未給出剪力墻平面外的內力和配筋,容易產生安全隱患,設計人應給予充分的注意。5)對于墻肢截面高度為厚度3倍～5倍的剪力墻,如按框架柱配筋設計時,結合剪力墻的受力特點,墻肢端部的主筋宜適當加大,墻肢中部的主筋宜適當減小;同時,箍筋配置量應滿足剪力墻水平分布鋼筋計算要求。

3 結語

對于短肢剪力墻結構,結構工程師在設計中應充分重視概念設計,根據構件受力的特點,充分了解其破壞的各種機理,對稱、均勻地合理布置短肢墻,正確掌握計算機分析和截面設計方法,采取有效的抗震構造措施,注重細部設計,不斷地總結經驗,努力做到結構設計安全、經濟、適用。

[1]JGJ 3-2002,高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[2]程紹革.高層建筑短肢剪力墻結構振動臺試驗研究[J].建筑科學,2000,16(1):12-16.