短肢剪力墻結(jié)構(gòu)在小高層住宅中的應用設(shè)計思考

【摘 要】隨著小高層住宅的發(fā)展，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)被廣泛應用，本文主要從布置原則、結(jié)構(gòu)計算、抗震薄弱環(huán)節(jié)設(shè)計、墻肢配筋設(shè)計、構(gòu)件設(shè)計五個方面，就小高層住宅中短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計要點進行分析探討，以確保結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟、適用及安全。

【關(guān)鍵詞】短肢剪力墻；設(shè)計；小高層住宅

當前，小、中高層住宅建筑走俏市場，先前普通框架結(jié)構(gòu)的露梁露柱及普通剪力墻結(jié)構(gòu)對建筑空間的嚴格限定與分隔在建筑功能上已不盡適用，一種新的結(jié)構(gòu)體系——“短肢”剪力墻結(jié)構(gòu)體系應運而生。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系最早由容柏生院士提出，《高規(guī)》）(JGJ3—2002)中將其定義為“指墻肢截面高度與厚度之比為5～8的剪力墻” 。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)與一般剪力墻結(jié)構(gòu)相比，在結(jié)構(gòu)布置方面更具靈活性，既克服了框架結(jié)構(gòu)露梁露柱的弊端，且通過使用輕質(zhì)填充墻能有效減輕結(jié)構(gòu)自重，減小結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，增大結(jié)構(gòu)的自振周期，減小結(jié)構(gòu)地震時所遭受的地震作用，經(jīng)濟性及適用性更高，因此當前已被廣泛應用于小高層住宅樓結(jié)構(gòu)設(shè)計中。但短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系對設(shè)計要求較嚴，設(shè)計人員在運用現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范、規(guī)程設(shè)計時，因理解不同所采取的結(jié)構(gòu)措施存在諸多差異，下面，筆者結(jié)合實踐經(jīng)驗，就小高層住宅中短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計要點進行分析探討，以確保結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟、適用及安全。

1 短肢墻的使用及布置

短肢剪力墻常采用的結(jié)構(gòu)形式主要有“L”型、“T”型、“十”型、“]”型、“Z”型、“一”型(“一”型的自身剛度及穩(wěn)定性不夠好，除條件限制外，一般不宜采用)，在進行布置時，應注意使結(jié)構(gòu)的剛度適宜，傳力路徑明確，結(jié)構(gòu)專業(yè)應較早地介入建筑專業(yè)的方案設(shè)計，使結(jié)構(gòu)布置既能滿足建筑功能的要求又能作到安全可靠，經(jīng)濟合理，其布置原則主要如下：1）墻體應結(jié)合建筑平面及房間分隔形式進行布置，以選用“T”型、“L型等縱橫剛度較一致且穩(wěn)定和剛度較好的墻肢形式為宜。當如有需要選用“一”字形時，平面外最好不布置與之單側(cè)相交的樓面梁。未布置剪力墻部分，均采用輕質(zhì)填充墻（除門窗洞口外），采用拉筋連接填充墻與剪力墻。2）短肢剪力墻的總體數(shù)量應適中，切忌結(jié)構(gòu)太柔或太剛，需滿足承載力及正常使用的要求，確保結(jié)構(gòu)的層間位移、周期及剪重比在規(guī)定范圍內(nèi)。3）盡可能使短肢剪力墻分布均勻，盡量使其剛度中心及建筑物形心接近，如有必要，可設(shè)置一些混凝土柱或一般剪力墻對剛度中心進行調(diào)整。要使一般剪力墻及核心筒承受的第一振型底部地震傾覆力矩不小于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%。在建筑專業(yè)允許的情況下，結(jié)構(gòu)布置時應盡可能縱橫均勻布置，使墻肢基本拉直、對齊，使之與連梁構(gòu)成成片的聯(lián)肢墻抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。4）墻肢間距最好不要太大，應在房間中部隔墻的交點上設(shè)置相當數(shù)量的短肢墻，如此，既對梁的支撐有利，有效避免多級次梁的出現(xiàn)，又能分散荷載，避免墻肢軸壓比超限。

2 受力性能及結(jié)構(gòu)計算分析

2.1 受力性能。短肢剪力墻按照整體性系數(shù) 及墻肢延高度上彎矩的變化，可分為以下三類：1）滿足 <10時， ／ ≤ ，為聯(lián)肢墻，整體性較弱，墻肢很少或反彎點，以彎曲變形為主要變形。2）滿足 ≥10， ／ ≤ 時，為整體小開口墻，有較強的整體性，墻肢不出現(xiàn)反彎點，仍以彎曲變形為主要變形。3）滿足 ≥10，但 ／ > 時，為壁式框架，有很強的整體性，結(jié)構(gòu)梁、柱剛度大，墻肢多反彎點。其中， = ； = + ； = 。式中， 為墻肢的面積； 為墻肢截面形心至組合截面形心對距離； 為墻肢截面的慣性矩。

綜合以上分析，因短肢剪力墻具有大洞口、小墻肢的特點，不適宜將其設(shè)計成整體小開口墻結(jié)構(gòu)，此外，為確保其變形性能及墻肢受力性能比異形柱優(yōu)，應盡可能避免將短肢剪力墻設(shè)計成壁式框架，所以經(jīng)過綜合比較，將短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計為 <10時， ／ ≤ 的聯(lián)肢墻最為適宜。

2.2 結(jié)構(gòu)計算。一是選擇合宜的計算軟件及合理的計算分析法，二是對計算模型及相關(guān)參數(shù)進行確定，并就計算結(jié)果的合理性進行判斷，尤其要加強概念設(shè)計。一般而言，因短肢剪力墻是一般剪力墻大開口而形成的，因此與普通剪力墻結(jié)構(gòu)分析基本相同，均可采用空間桿一墻組元分析法或三維桿系——薄壁柱空間分析法，其中以空間桿一墻組元分析法的精度更高，更符合實際。

3 抗震薄弱環(huán)節(jié)設(shè)計

根據(jù)相關(guān)振動臺模擬地震試驗的結(jié)果顯示，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震弱環(huán)節(jié)主要為建筑平面外邊緣及角點處的墻肢、底部外圍小墻肢及連梁等，主要表現(xiàn)為當有扭轉(zhuǎn)效應時，建筑平面外邊緣及角點處的墻肢會先開裂；在強地震下，高層短肢剪力墻以彎曲變形為主，底部外圍小墻肢因截面面積較小而受到縱向的強大荷載破壞最為嚴重，其中又以“一”字形小墻肢表現(xiàn)最為明顯；因墻肢剛度相對減小，連梁受剪破壞幾率增加。因此，針對以上薄弱環(huán)節(jié)，應加強概念設(shè)計及抗震構(gòu)造措施，具體如下：

3.1 為減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應，應盡量使短肢剪力墻的剛度中心與建筑物質(zhì)心相互靠近，并對建筑平面外邊緣及角點處的墻肢厚度進行合理調(diào)整，一般以250mm為宜，對小墻肢可用300mm，并將墻肢截面的軸壓比控制在0.6以下以提高墻肢的承載力。

3.2 相較一般剪力墻的抗震等級，短肢剪力墻抗震等級應按高級別進行設(shè)計。剪力設(shè)計值除對底部位置增強設(shè)計，也要適當調(diào)整相關(guān)部位。抗震設(shè)計時截面的縱向鋼筋的配筋率，底部加強部位應在1.2%以上，其余部位應在1.0%以上。

3.3 連梁為耗能構(gòu)件，其剪切破壞會降低結(jié)構(gòu)的延性，不利于抗震，因此為維持連粱結(jié)構(gòu)的性能，設(shè)計時應注意連梁的“強剪弱彎”驗算；短肢剪力墻以在兩個方向均有梁與之拉結(jié)為宜，最好將連梁布置在各肢平面內(nèi)，對于一字形墻肢應盡量不用。

3.4 一字形短肢剪力墻平面外切忌設(shè)計樓面梁。當諸如窗間墻等剪力墻外墻作為跨度大于6m的大梁支座時，若發(fā)生地震，可能導致梁側(cè)剪力墻上出現(xiàn)豎向裂縫，若彎矩較大而剪力墻平面外剛度及承載力不足就會造成平面外的破壞，但當前一些計算軟件并未給出剪力墻平面外的配筋及內(nèi)力，對此設(shè)計時要特別注意，避免埋下安全隱患。

3.5 對于墻肢截面高度為厚度3～5倍的剪力墻，若按框架柱配筋設(shè)計時，應適當減小墻肢中部的主筋而加大墻肢端部的主筋，同時，箍筋配置量應滿足剪力墻水平分布鋼筋計算要求。

4 墻肢配筋設(shè)計

剪力墻對小高層住宅而言面廣量大，因此科學合理地控制剪力墻配筋能有效提高結(jié)構(gòu)安全，增加工程經(jīng)濟性。具體配筋設(shè)計如下：

4.1 相較于相同軸壓比的框架柱，短肢剪力墻約束邊緣構(gòu)件配箍特征值 應提高一級，取非加強部位的短肢剪力墻及軸壓比不大于0.3的短肢剪力墻，其邊緣構(gòu)件的構(gòu)造設(shè)置應高于一般剪力墻，具體如表1所示：

4.2 一般而言，截面高度在1200～2000mm的短肢剪力墻，可統(tǒng)一取450 mm作為其約束邊緣構(gòu)件的長度；短肢剪力墻的邊緣構(gòu)件的縱向配筋除滿足規(guī)范要求外，其縱向鋼筋最小配筋率以按框架柱要求設(shè)置為宜。

4.3 短肢剪力墻的水平分布筋與豎向分布筋除根據(jù)計算確定意外，應按表2要求確定構(gòu)造的最小配筋。此外，短肢剪力墻應采用雙排布筋，豎向筋在內(nèi)，水平筋在外，兩排筋間距應小于400 mm x400mm，每根豎筋均有拉筋連結(jié)；肢長大于3倍小于等于4倍墻厚的墻肢按柱要求配筋，其外套箍兼作水平筋。

5 構(gòu)件設(shè)計

5.1 短肢墻的設(shè)計。由于短肢墻仍是剪力墻的一種，因此其設(shè)計可采用一般剪力墻的設(shè)計方法，除短肢墻墻外的其他常規(guī)構(gòu)件可按常規(guī)方法進行設(shè)計。

5.2 短肢墻平面內(nèi)梁設(shè)計。具體分兩種情況，一為按連梁設(shè)計，前提為跨高比小于5，一為按框架梁設(shè)計，前提為跨高比大于5。具體如下：1）按連梁設(shè)計。此時，梁兩端與剪力墻互相連接，連梁上的內(nèi)力主要由水平力產(chǎn)生，且內(nèi)力值較大，豎向荷載對連梁的作用比較小，電算時常有超筋現(xiàn)象出現(xiàn)，所以，可以在不影響承受豎向荷載的情況下折減連梁剛度 (抗震設(shè)防烈度為8°、9°時折減系數(shù) 0.5，6°、7°時折減系數(shù) 0.7)，如此在地震作用下，能將較多的內(nèi)力分配到短肢墻上，相應地連梁分配到的側(cè)向力則減少許多。此外，由于連梁由剪力墻開洞形成，依照薄壁桿件的基本理論，梁是通過薄壁桿件及剛臂的剪心連接起來的，剛臂是人為加給梁的，這樣強化了剪力墻對梁的嵌固作用，使梁的彎矩值偏大，TAT用梁單元來模擬連梁剛度偏大。采用TAT計算時常遇連梁超筋的情況，因此對于連梁，用SAT-WE的殼單元模擬較為合理。2)按框架梁設(shè)計。此時，豎向荷載作用下產(chǎn)生的內(nèi)力所占比例較大，宜按框架梁來設(shè)計。否則，由于墻肢平面內(nèi)的梁通常跨度較大，梁上的水平力和豎向力均較大，若按連梁設(shè)計，進行剛度折減后，構(gòu)件會因為承載力較小過早出現(xiàn)塑性鉸，難以滿足規(guī)范對裂縫驗算的要求，在計算程序的總信息中不應按連梁設(shè)計將剛度大幅下調(diào)，從而造成其設(shè)計內(nèi)力降低，應按普通框架梁要求，控制混凝土受壓區(qū)高度，其梁端負彎矩鋼筋可由塑性調(diào)幅20%來解決。

參考文獻：

[1]中華人民共和國行業(yè)標準．高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 (JGJ3—2002)[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002．

[2]曲志，高賀香.小高層住宅短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計淺談[J].技術(shù)與市場，2008（11）：13-14.

[3]粟金利.淺談在小高層住宅中短肢剪力墻設(shè)計應注意的問題[J].建材與裝飾，2010（5）：113-114.