高層建筑短肢剪力墻結構設計問題探討

摘要：短肢剪力墻結構是一種適應建筑要求而形成的較為特殊的剪力墻結構。文章分析了短肢剪力墻結構的特點以及短肢剪力墻結構布置中需注意的問題，并對短肢剪力墻結構設計中薄弱部位的加強措施進行了探討。

關鍵詞：短肢剪力墻 結構布置 加強措施

近年來，隨著人們對建筑物，特別是高層住宅中平面與空間的要求越來越高，傳統的普通框架結構中凸入室內空間的房梁、柱子等影響美觀，傳統的普通剪力墻結構對建筑空間的嚴格限定與分隔等已越來越不能很好地滿足人們對住宅空間的要求。于是，一種新的結構型式，即“短肢剪力墻結構”型式應運而生。這種新的高層住宅結構體系克服了傳統的普通框架與普通剪力墻結構存在的一些問題，降低了基礎及上部結構的造價，得到了建筑商、建筑結構設計人員和住戶的廣泛喜愛，逐漸被推廣使用。

1 短肢剪力墻的概念

《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ 3-2002)中規定，短肢剪力墻是指墻肢截面高度（水平截面的長度）與厚度（水平截面的寬度）之比為5~8的剪力墻，一般剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比大于8的剪力墻。短肢剪力墻較多時，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，稱為短肢剪力墻結構。

短肢剪力墻結構在建筑工程中的使用需滿足一個必要條件，即抗震設計時，短肢墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩不大于結構總底部地震傾覆力矩的50%。這是由于短肢剪力墻結構抗震能力較弱，故高層建筑結構中短肢剪力墻較多時，應布置一般剪力墻（或筒體），建立合理的剪力墻體系，共同抵抗水平力。

2 短肢剪力墻結構的特點

2.1 短肢剪力墻結構型式存在以下特點：①可充分滿足建筑功能的需要。a墻肢和填充墻的厚度相同，各墻相連的梁處于一個豎向的平面內，以避免梁柱可能突出墻面的情況。b墻體改革的方向要求墻體采用輕質材料，因此短肢墻更能夠滿足建筑功能的需要。c短肢墻構件增加了施工困難程度，但擴大了使用面積。②可滿足結構設計的需要。短肢剪力墻體系中墻肢和梁可以隱蔽，同時結構布置比較靈活，墻的數量和肢長可以根據抗側力的需要而定，同時，還可通過不同的尺寸和布置來調整剛度和剛度中心的位置。③該結構體系使用方面，可靈活運用。a結合建筑平面，利用間隔墻位置來布置豎向構件，基本上不與建筑使用功能發生矛盾。b墻的數量可多可少，肢長可長可短，主要視抗側力的需要而定。c能靈活布置，可選擇的方案較多，樓蓋方案簡單。d連接各墻的梁，隨墻肢位置而設于間隔墻豎向平面內，可隱蔽。f根據建筑平面的抗側移剛度的需要，利用中心剪力墻，形成主要的抗側力構件，較易滿足剛度和強度要求。

2.2 在小高層住宅中，與常用的剪力墻體系相比，短肢剪力墻體系有如下幾點優勢：①墻肢的承載能力得到充分使用，避免了傳統剪力墻結構中鋼筋浪費現象。②自重大大減輕，降低了地震的作用，且降低了造價，對于一些地基承載能力較低的地區有著良好的經濟效益。③其結構自振周期相對較大，從而可彌補剪力墻的抗側移剛度大而使得地震反應加大的缺點。④墻肢高寬比較大，其承載力得到了較充分的發揮。

3 短肢剪力墻結構布置中需注意的問題

3.1 短肢剪力墻結構在設計時應注意的問題。高層建筑結構不應全部采用短肢剪力墻結構體系。首先，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；其次，若剪力墻結構存在較短肢剪力墻，其最大適用高度應比規范中剪力墻結構的規定值略微降低，7度和8度抗震設計時分別應低于100m和60m；最后，對于9度抗震設計的A級高度高層建筑和B級高度高層建筑，不應采用較多短肢剪力墻結構。

3.2 如何布置剪力墻洞口。布置剪力墻洞口一般應滿足以下3方面要求：①規范設計洞口位置，規則開洞，應力分布比較規則，洞口成排或成列，形成明確的墻肢和連梁，避免洞口設置使墻肢剛度相差懸殊。②若布置錯洞剪力墻和疊合錯洞墻，其洞口錯開距離小或疊合，造成強肢不規則，洞口之間易形成薄弱部位，構造及應力分布復雜，所以在洞口設置時應盡量避免。當工程需要時，應在洞口周邊采取加強措施，或者將疊合洞口用輕質材料將洞口填補，轉化為規則洞口的剪力墻。③對洞口布置應采用一些合理準確的分析方法進行分析判斷，對不規則洞口可采用多種模型簡化處理，分析判斷其計算結果，必要時進行補充計算和校核。

3.3 針對短肢剪力墻結構抗震性能較差的特點，在結構布置時應加強抗震薄弱環節。①連梁盡量布置在墻肢的豎向平面內，且宜有兩個方向的梁與每道短肢剪力墻連接。短肢剪力墻應在兩個方向上均有連接，在另一方向上也設置翼緣，盡可能避免“一字形”短肢剪力墻出現。②短肢剪力墻結構可采用強墻柱弱連梁體系設計。③短肢剪力墻應均勻布置，各墻肢分布均勻，墻的軸向應力差別不可過大，其剛度中心與建筑物的形心應盡量保持一致。在豎向布置短肢剪力墻時，上下對齊墻肢，避免洞口錯位，與連梁一起構成抗側力體系，提高短肢剪力墻的抗震性能。④由于短肢剪力墻結構抗側剛度較小，設計時可增加適當數量的長墻，或者利用電梯、樓梯等形成剛度較大的核心筒，形成兩道抗震設防，增強剛度，避免在強烈的沖擊下結構產生較大變形。⑤在水平力的作用下，底部外圍小墻肢會承受較大的豎向荷載和扭轉剪力，導致墻肢開裂，因而應采取加大外周邊墻肢厚度和配筋量，或減小軸壓比，增大縱筋和箍筋的配筋率等措施，提高其抗震性能。

4 加強措施

對于短肢剪力墻設計中的薄弱部位，可采取以下加強措施：①在抗震設計時，剪力墻和筒體承受的第一振型底部地震傾覆力矩應大于結構總底部地震傾覆力矩的一半以上；為了改善短肢剪力墻的延性，短肢剪力墻的抗震等級應采用比規程中規定的剪力墻的抗震等級高一個級別的抗震等級。②為改善延性，在抗震等級分別為一、二、三級時，各層短肢剪力墻在重力荷載代表值作用下產生的軸力設計值的軸壓比分別不宜大于0.5、0.6和0.7；對于一字形短肢剪力墻，由于其無翼緣或端柱，延性較差，軸壓比限值應降低0.1。③為避免短肢剪力墻過早剪壞，底部加強部位及其他各層都應調整短肢剪力墻的剪力設計值，一、二級抗震等級分別乘以增大系數1.4和1.2；，無論抗震還是非抗震設計，短肢剪力墻截面最小厚度都不應小于200mm。④在確定剪力墻的加強部位時，應注意剪力墻頂層、樓電梯間墻等不宜作為加強部位，而抗震結構中出現塑性鉸的部位應為加強部位。并在剪力墻底部塑性鉸出現的范圍內加強構造措施，提高剪力墻的延性及抗剪切破壞的能力。⑤為安全起見，可適當擴大剪力墻的加強部位范圍，一般剪力墻結構底部加強部位的高度可取墻肢總高度的1/8或底部兩層兩個的較大值，若剪力墻高度超過150m，為避免加強區過高，其底部加強部位的高度可取墻肢總高度的1/10。總之，在短肢剪力墻設計中應注意其構造要求、肢長、比例、加強部位等要求，提高其抗震性能。

5 結束語

短肢剪力墻作為一種新興的結構體系，受到廣泛關注，應用前景廣闊。雖然其優點較多，但是難以避免一些自身存在的缺點。在結構設計中，應避重就輕，合理布置短肢剪力墻結構，對一些薄弱部位采取加強措施，充分發揮短肢剪力墻結構體系的優勢，為住戶提供一個更好的住宅空間。

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作者簡介：

馬守才，男，（1964-），甘肅臨夏人，副教授，從事高校教學、科研和管理工作，研究方向：建筑結構的檢測鑒定與加固。