有轉角窗高層住宅短肢剪力墻結構設計

許劍鋒 王 輝

0 引言

隨著社會發展，城市土地資源稀缺，高層建筑紛紛涌現，其中高層住宅發展也十分迅速。高層住宅結構形式多樣，有一般框架結構、框剪結構，還有剪力墻結構等。現在人們的住宅觀念不斷更新，對居住空間的舒適度要求越來越高，對原普通框架結構和普通剪力墻結構中露梁露柱和對建筑空間的限制越來越不滿。于是結合剪力墻結構和框架結構的優點，形成了兩種新型的結構形式——短肢剪力墻結構和異形柱框架結構。但異形柱框架結構由于受力比較復雜，結構計算工作量大，截面設計可靠性不高，國家還未編制相應規范，目前只有某些省市有異形柱框架的設計規程供參考。而短肢剪力墻結構則相對成熟，新版的JGJ 3-2010高層建筑混凝土結構技術規程(以下簡稱《高規》)提及短肢剪力墻的概念并對其設計作了詳細且嚴格的規定，確保結構有可靠的安全保證。

1 短肢剪力墻的概念

《高規》中規定墻肢截面厚度不大于300 mm、各肢截面高度與厚度之比為4～8的剪力墻為短肢剪力墻。

2 短肢剪力墻的優點

1)無凸出梁柱，居住空間舒適，便于使用。

2)空間分割布置靈活，能最大限度的滿足建筑設計的要求，為建筑設計也提供了更為廣闊的發展空間。

3)墻的數量，肢長可由抗側力的需要確定，剛度中心也可以根據需要作調整，讓結構方案更加合理。

3 剪力墻的布置

1)在兩個主軸方向應各布置一定數量的剪力墻，所有剪力墻形成的剛心宜與建筑物形心盡量重合，以減少地震作用時扭轉變形的不利影響。

2)設計時一般利用電梯井及樓梯間形成剛度較大的筒體，另外還要布置一定數量的一般剪力墻，避免短肢剪力墻過多，以彌補短肢剪力墻抗震性能較差，地震區應用經驗不多的不安全因素。《高規》中7．1．8條規定:抗震設計時，在規定的水平地震作用下，短肢剪力墻承擔的底部傾覆力矩不宜大于結構底部總地震傾覆力矩的50%。另外《高規》中對短肢剪力墻的抗震等級、軸壓比、配筋率等都有較高要求和嚴格限制。

3)東西山墻及端部開間的外縱墻及剛度中心附近應布置一般剪力墻。

4)剪力墻宜上下連續布置，避免剛度突變。

5)一般情況下應避免剪力墻墻肢平面外有單向樓面梁，在不可避免時，結合住宅實際情況，應在墻梁相交處設置暗柱，并按計算配筋，或在剪力墻內設置型鋼。不過正常情況下設置暗柱能滿足設計要求。

4 剪力墻的設計

1)短肢剪力墻的形狀應采用“L”形、“T”形、“十”字形、槽形等，不宜采用延性及平面外穩定性均不利的“一”字形。原先設計多層住宅時門垛寬度一般設計為120 mm，但在短肢剪力墻結構的高層住宅中，若門垛處布置短肢剪力墻，門垛寬度仍設計為120 mm，那么根據《高規》中7．2．15 和7．2．16 條之規定，此處短肢剪力墻雖然帶有門垛，但仍為“一”字形剪力墻，因為此處門垛的尺寸不能形成有效的約束邊緣構件或構造邊緣構件。

以抗震7度設防地區，抗震等級為二級為例:短肢剪力墻厚度取200 mm時，按《高規》中的規定，門垛寬度至少設計為300 mm較適合。

2)一、二級抗震設計的剪力墻底部加強部位及其上一層的剪力墻墻肢端部的邊緣構件稱為約束邊緣構件，設計應符合《高規》中7．2．15條之規定;一、二級抗震設計的剪力墻其他部位以及三、四級抗震設計和非抗震設計的剪力墻墻肢端部的邊緣構件稱為構造邊緣構件，設計應符合《高規》中7．2．16條之規定，這里不再贅述。

3)現在住宅設計中，有不少住宅將東西兩個端開間的房間窗設計成轉角窗，在房間內觀賞室外景色視野開闊且采光通風良好，開發商將此作為賣點，也贏得了購房者的認可。但對于結構來說，剪力墻在端開間角部得不到連續，而且開口較大，對于抗震設計很不利，那么怎么解決這個問題，現建立四個計算模型以供分析比較。

圖1 模型一結構布置圖

模型說明:假設建筑地上10層，無地下室，層高3 000 mm，混凝土強度等級C25，墻厚200 mm。

模型一:不設置轉角窗;模型二:設置轉角窗，對剪力墻邊緣不作處理;模型三:設置轉角窗，在剪力墻邊緣設置端柱;模型四:端開間板厚比其他模型增加20%，上下層窗間部分作為連梁設計。具體布置如圖1～圖4所示。

圖2 模型二結構布置圖

圖3 模型三結構布置圖

圖4 模型四結構布置圖

采用建研院的PKPM系列工程軟件中TAT模塊計算，現對一些計算結果進行列表比較，如表1所示。

表1 計算結果比較

由表1可看出，模型二的自震周期、位移、地震作用的方向最大，其中地震作用的方向增大80%，說明地震作用時建筑物的變形及扭轉較大，對結構很不利。采取加強措施的模型三和模型四則能大大改善結構的受力性能。

通過對以上模型計算結果分析并結合其他設計院的研究成果，高層住宅設置轉角窗時，為減少開洞部位各構件的扭轉變形，提高建筑物整體抗震性能有兩種途徑:

1)加強剪力墻本身，提高剪力墻延性和平面外的穩定性。

a．在剪力墻端部設置端柱，該端柱各層宜均按約束邊緣構件設計;

b．應采用一般剪力墻，形狀不應用“一”字形，墻厚、配筋宜適當加大，配筋宜設計成雙層雙向;

2)加強連接剪力墻的結構構件，提高整體性。

a．連梁高度適當加大。現在住宅的窗戶面積較大，窗下墻高度低，有的只有400 mm，建議窗下墻不要磚砌或澆筑構造配筋的混凝土，而宜將兩層窗間部分整體當連梁設計。

b．轉角處的樓板加厚，配筋適當加大。

以上分析僅限于非抗震設計和6，7，8度抗震設計的A級高度高層建筑，其他高層應作相應專門研究。

5 連梁

1)跨高比小于5的連梁應按《高規》中連梁的規定設計，因為此時剪切變形明顯，易出現剪切裂縫。可對連梁的彎矩和剪力進行塑性調幅或對連梁的剛度予以折減，但不宜同時采用。地震作用過程中連梁是耗能構件，應先于其他主要受力構件破壞，以上情況在一般剪力墻結構中較為常見。

2)跨高比不小于5的連梁宜按框架梁的要求設計，因為此時豎向荷載引起的彎矩作用明顯。在短肢剪力墻結構中，墻肢長度較小，剛度也較小，連接各墻肢的連梁的高跨比一般不小于5，受力情況類似普通框架梁，不應在計算中將連梁的剛度大幅折減，降低設計內力，應控制混凝土受壓區高度，其梁端可塑性調幅70%～80%，按強剪弱彎，強柱弱梁的一般框架梁的要求計算。

總之，短肢剪力墻結構是新興的結構形式，有著其他結構形式無可比及的優點和廣闊的市場前景。設計中應根據其受力特點和破壞機理，選擇合理的方案布局，選擇正確的計算軟件，嚴格遵守規范規定的各條款進行設計，保證結構的安全可靠。

［1］ JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結構技術規程［S］．

［2］ 張景坤，馬立杰．開設轉角窗的高層剪力墻結構分析［J］．山西建筑，2010，36(29):42-43．