民用建筑結構設計中短肢剪力墻技術的應用

付小平 虞祝帥

摘要：隨著社會經濟的飛速發展和人類生活水平的提高，人們對物質追求也提出了新要求。尤其是住宅建筑結構，在社會發展的現階段更是出現了五花八門、滿目琳瑯的現象，這就要求人們在工作中不僅要在外觀設計中追求樣式創新，對于空間結構在保證住宅功能的基礎上設計的更加人性化、美觀化。在這種建筑時代背景下，建筑設計工程師為了滿足人們對建筑結構的新要求，不斷的追求和思考新的結構模式，這就使得剪力墻結構的應用逐漸廣泛。本文從短肢剪力墻結構設計概念和原則入手，著重探討了其在建筑結構設計中的應用，旨在為同行工作提供參考。

關鍵詞：民用建筑；短肢剪力墻；要求；應用

中圖分類號：TD229文獻標識碼： A

引言

民用建筑是社會經濟飛速發展和科學技術不斷進步的產物，是城市人口集中、人口眾多、用地緊張和商業競爭加劇的必然趨勢。在高層建筑工程中，建筑結構設計是整個工程項目工作重點，也是提高建筑結構的實用性、耐久性的關鍵。剪力墻結構作為目前建筑工程領域中極為常見的一種，在大中型高層建筑結構中應用極為廣泛，其在提高建筑結構整體性、耐久性方面發揮著不可替代的作用。

一、短肢剪力墻結構的布置原則及特點

(1)應該盡量均勻布置短肢剪力墻，以保證建筑物相一致的質心和剛心，在地震中避免發生扭轉。(2) 在間隔墻的交接處主要布置短肢剪力墻，布置豎向構件利用間隔墻位置，與建筑使用功能基本上不發生矛盾。要根據具體的抗側力要求進行確定墻肢的數量，不能過少或過多，主要視抗側力的需要而定，以免結構過柔或者過剛。 (3)當建筑物造型不規則時或者水平荷載較大時，為了加強結構的整體性和滿足結構平面剛度的要求，在邊緣處及平面外各角點應該布置短肢剪力墻。(4)在結構布置方面可調整性及靈活性大，可選擇的方案較多，較易處理樓蓋的支承，使其形成成片的聯肢抗側力結構。

二、民用建筑中的短肢剪力墻技術

（一）、短肢剪力墻結構設計要求

在目前的建筑結構設計中，剪力墻的應用極為廣泛，特別是在大型的高層建筑物中，其身影更是隨處可見。剪力墻，又稱為抗風墻、抗震墻或者結構墻，顧名思義，它在房屋與各大建筑物中主要起著承受風荷載，或由于地震作用而引起的水平荷載，為建筑物起著主要的支撐作用。

(1)民用建筑高度要求剪力墻結構震害會隨著建筑高度的增加而增大，因此要對剪力墻結構建筑的高度嚴格限制。

(2)結構布置合理性民用建筑結構的布置要盡量簡潔、規則，這樣才能保證結構質心和剛心接近。對于剪力墻結構而言，要保證剪力墻方案中的墻片大小、墻量多少和布置的合理性，并堅持均勻、對稱和分散的基本原則，墻片不能過長。另外還要控制好剪力墻的間距，并在外縱軸設置相應的開洞剪力墻，這樣才能增強結構的橫向抗傾覆能力，避免在邊柱的位置產生較大的應力。

（二）、短肢剪力墻結構的抗震設計

短肢剪力墻結構的抗震薄弱環節是底部外圍的小墻肢、建筑物角點處的墻肢以及連梁等構件，尤其是發生扭轉時，建筑物外角點處和邊緣的墻肢就會首先開裂。對于層數較高的短肢剪力墻結構在地震作用下，將主要發生彎曲變形，將破壞嚴重底部外圍的小墻肢，特別是“一”字形小墻肢破壞最嚴重。由于墻肢剛度相對減少，在短肢剪力墻結構中，增加連梁受剪破壞的可能性，因此對這些薄弱環節，設計中更應當加強抗震構造和概念設計措施。在平面上短肢剪力墻結構分布要力求均勻，使建筑物的質心和剛度中心盡量接近，以減小扭轉效應。適當的增加建筑平面外邊緣及角點處的墻肢厚度，加強墻肢端部的暗柱配筋量，為了提高墻肢的延性和承載力，墻肢截面的軸壓比嚴格控制。連梁是一個耗能結構構件，高層建筑中連梁的剪切破壞將會使結構的延性降低，在具體設計工作中對抗震極其不利，應進行“強剪弱彎”的驗算連梁，宜在兩個方向均有梁與之拉結短肢剪力墻結構中的短肢剪力墻，在各墻肢的豎平面內宜布置連梁，避免采用“一”字形短肢剪力墻，且短肢剪力墻配筋應當符合相應的規范要求。

三、短肢剪力墻結構體系的計算

短肢剪力墻只不過是采用較短的剪力墻肢，屬于剪力墻結構體系，而且通常采用T形、L形、[形、+形等，與普通剪力墻結構其所采用的配筋力式、計算模型和構造要求均相同，一般采用薄壁桿元(TAT)來分析短肢剪力墻結構，將墻視為薄壁桿件，每端有7個自由度(比普通桿元多一個截面翹曲角在每端6個自由度，即扭轉角沿縱軸的導數) 按矩陣位移法考慮了墻單元非平面變形的影響，形成總剛度矩陣由單元剛度矩陣，引入樓板平面內剛度無限大。假定未知量減少部分之后求解，它未知量少，適用于各種平面布置，精度較高。但是，由于薄壁桿件理論對剪切變形的影響沒有考慮，該模型在分析結構布置復雜、剪力墻較為低寬 (如有轉換層)時，也存在一些不足。

在處理結構布置復雜的問題時可采用殼元模型分析，但應加細單元的劃分比如設有轉換層的短肢剪力墻結構，通常的處理力法是將電梯間、核心筒等少部分剪力墻落地，其余剪力墻框支框支剪力墻是受力而向受力點過渡，由于薄壁桿件的連接處是點連接，所以用薄壁桿件模型不能很好地處理位移的連續和力的正確傳遞因此，帶有轉換層的短肢剪力墻結構宜優先采用墻元模型軟件(如SATWE)進行計算當然，從整體上的內力(特別是下部支承柱的內力)分布情況來看，如果將剪力墻加以適當的處理，還是可以用TAT，TBSA對結構進行整體計算的。

四、短肢剪力墻設計過程中需要注意的問題

（一）、嚴格控制短肢墻的軸壓比，尤其是無翼緣或端柱的“一”字形短肢剪力墻。目前，根據國內外研究結果，在承受壓彎作用的剪力墻中，當處于小偏壓狀態時，墻的延性較差。不僅如此，即使在大偏壓狀態下，若軸壓比較大，混凝土受壓區的邊緣應力很高，如果混凝土沒有約束或約束不夠，可能混凝土先達到極限壓應變，出現豎向裂縫，甚至壓碎，使構件喪失變形能力和承載能力。因此，在設計時，應嚴格控制短肢墻的軸壓比，以保證短肢墻的延性。

（二）、短肢剪力墻的各墻肢通過連梁連接，這就增加了墻肢的約束，提高了墻肢和結構的抗震性能。連梁的剛度變化會影響結構總體抗側移剛度，合理地選擇梁截面和配筋，也有利于提高結構的抗震性能。設計連梁時，要遵循強剪弱彎、強柱弱梁的要求，避免連梁剪切破壞過早破壞。隨著連梁剛度的逐漸增大，結構地震作用也會顯著增大，并最終造成連梁和墻肢內力的增大。因此，必須增大構件的配筋量，在實際的工程建設過程中，最好不要使用窗下墻作為連梁結構，這主要是因為窗下墻的高度很大，容易造成剛度很大的剪切塊部分，這非常不利于結構的抗震設計，因此，最好將連梁設計成為截面、剛度較小的弱連梁結構。

（三）、應采取三維計算方法進行結構的動力特性分析和桿件內力計算。這時對于豎向構件又有薄壁桿模型與墻元模型，前者是一種簡化模型，但精確度較低:后者是板元與膜元的組合，是一種高精度力學模型。

（四）、小高層住宅在設計時，為避免連梁剪切破壞先于彎曲破壞，應滿足強剪弱彎的要求:不宜采用窗下墻作為連梁，因為窗下墻高度很大，形成剛度很大的剪切塊，不利于結構的抗震設計，所以，宜將連粱設計成為截面、剛度較小的弱連梁。

結束語

總之，科技進步一日千里，新型墻體的材料不斷出現也推動了短肢剪力墻結構的進一步應用，這一結構在建筑市場仍有著廣闊的前景。設計工作者應在充分結合實踐的基礎上，設計出性能更優#更經濟的建筑。

參考文獻

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