短肢剪力墻結構設計與分析綜述

霍海霞

摘要：進入21世紀以來，我國建筑水平在不斷地提高和發展，框支短肢剪力墻結構因為具有眾多優點，所以在高層建筑的建設中的應用越來越廣泛，但是，目前來說該方法的相關理論分析還沒有足夠的清晰透徹，本文對該框支剪力墻結構中的短肢剪力墻的設計問題做了簡要分析。

關鍵詞：剪力墻;結構;設計

1 引言

隨著我國經濟的不斷增長，我國建筑行業也隨之發展迅速，尤其在高層建筑方面，因為使用不斷增加，相關的設計和技術工作正在不斷完善發展當中。在高層建筑的建設當中，經過不斷的實踐改進，以框支剪力墻為基礎，其已逐步發展成一種比較能適應這種高層住宅建筑的結構體系，目前已得到廣泛應用。下面就框支短肢剪力墻結構的設計問題做分析。

2 框支短肢剪力墻結構的特點

2.1 短肢剪力墻特點

短肢剪力墻，它仍屬于剪力墻結構體系，只是肢長較短。短肢剪力墻截面形式更為多樣，通常有T形，L形，]形，Z形，偶爾也會出現+形或—形。其在結構布置方面靈活性及可調整性大，墻數量可多可少，墻肢可長可短，還可通過不同的尺寸和布置來調整層剪切中心的位置，故不難得出合理的結構方案。就抗側性能而言，短肢剪力墻介于普通剪力墻和框架之間，其側向位移曲線仍為彎曲型，但曲率較普通剪力墻小（圖1）。此外，短肢剪力墻一筒體結構的受力性能與框架一筒結構相比有較大不同，由于墻本身的抗側能力，樓層剪力并非主要由核心筒承擔，而是趨向于均勻分布，這一點在后面的實例計算中將會有明顯反映。

2.2 框支剪力墻結構中的短肢剪力墻特點

框支剪力墻結構中的短肢剪力墻在具體結構形式上，則有鮮明的自身特點，主要表現在以下幾方面：

2.2.1 在對剪力墻的支承形式上“框支”與“梁抬”并存。由于墻肢長較短，數量多，不可避免要出現某些墻肢與框支柱完全不沾邊，直接支承在梁上的情況，工程上稱為“抬梁”，這使得框支梁的設計計算變得非常重要。

2.2.2 轉換結構一般采用深梁轉換，由于短肢剪力墻截面形式多樣，很多時候出現主次梁共同支承上部墻肢，甚至次梁支承再向主梁傳遞的情況，傳力體系更加復雜。

2.2.3 框支剪力墻結構一般在轉換層上下剛度變化較大，成為薄弱環節。框支短肢剪力墻結構墻肢短，往往與下層框支柱截面相差不多，若在設計時予以適當控制，剛度突變情況可得到改善。

3 框支剪力墻結構設計要點分析

3.1 框支剪力墻結構的設計原則

帶轉換層高層建筑結構是一受力復雜、不利抗震的高層建筑結構，在結構總體設計，特別是在抗震設防地區采用時，結構設計需遵循如下原則：

（1）減少轉換。

（2）傳力直接。

（3）強化下部、弱化上部。

（4）優化轉換結構。

（5）計算全面準確。

3.2 框支梁設計

結構設計時，轉換粱斷面一般宜由剪壓比控制計算確定，有合適的含箍率，以避免脆性破壞。

（1）框支梁斷面確定：框支梁寬不宜小于2倍上部框支墻厚度，且不宜小于400mm，框支梁梁高不應小于梁跨度的1/6。

（2）框支梁不宜開洞。

（3）框支梁上部縱筋至少50%沿梁全長貫通，下部縱筋全部直通柱內，并沿梁高設直徑大于16及間距不大于200的腰筋。

3.3 框支柱設計

框支柱斷面一般由其軸壓比確定。由于剪力墻在轉換層處部分終斷。必須保證下部框支柱的抗剪能力，限制軸壓比。

3.4 落地剪力墻設計

落地剪力墻、簡體宜均勻設置，落地剪力墻、筒體斷面一般由其軸壓比計算確定。落地剪力墻、簡體斷面尚需滿足適宜剪壓比限值要求，以避免脆性破壞。

3.5 上部剪力墻設計

轉換結構上部剪力墻與轉換結構協同工作，可視作一個層層受樓板約束、受相連墻、連梁空間約束的平面開洞薄梁，它與轉換結構一起整體協同工作承受重力荷載、水平荷載。上部剪力墻及其連梁尤其是轉換結構上層剪力墻及其連梁受力復雜、應力比較集中。上部剪力墻布置時，應注意其整體空間完整性和延性，注意外墻盡量設置轉角翼緣，注意門窗洞口盡量居于轉換結構跨中，應盡量避免無連梁相連的延性較差的禿頭墻。

3.6 樓板

轉換層樓板厚度不宜小于150mm，相鄰轉換層上部1～2層樓板厚度不宜小于120mm，且落地剪力墻內側、落地簡體外周樓板不宜開大洞。

4 框支轉換層上下的剛度變化分析

4.1 現有剪切剛度比計算公式的缺陷

傳統框支剪力墻結構由于上層剪力墻的剛度遠大于下層框支柱，往往在轉換層上下造成側向剛度突變。在地震時，剛度突變部位易形成應力集中，同時底層過于柔性會導致側向變形過大，而框支柱不能忍受過大變形，對抗震非常不利。因此，規范規定，對底層大空間剪力墻結構必須驗算上下層剪切剛度比γ（式3-1），上下層剛度比宜接近于1，非抗震設計時，不應大于3，抗震設計時不應大于2。

（式3-1）

式中Gi、Gi+1——第i層、第i+1層的混凝土剪變模量;

Ai、Ai+1——第i層、第i+1層的混凝土剪變模量;

Aw——在所計算的方向上，剪力墻全部有效截面面積;

Ac——全部柱截面面積;

hi、hi+1第i層、第i+1層層高。

上式中對框支柱抗剪面積Ac所乘的0.12是一個統計數值，主要考慮到柱面積分布較為分散，截面性矩遠小于剪力墻。對框支短肢剪力墻結構而言，單個墻肢截面面積與下層框支截面面積相差不多，減去落地核心筒剪力墻面積后，Aw與Ac也相差不多。

4.2 直接采用樓層側向剛度比控制

建筑物的質量主要集中于樓層外，大多數時候，整個結構的動力分析可視為一連串豎向質點的水平振動（圖2）。剪切剛度比的實際意義在于表達樓層抗側剛度的比值，只是為了工程驗算方便，才在規范中采用了簡化的計算方式。實際上，樓層的抗側剛度在X向和Y向是不同的，應分開考慮，因此，即使是對普通大空間框支剪力墻結構，剪切剛度比的計算方法也是不準確的。

2008版的建筑抗震設計規范中規定，“矩形平面的部分框支抗震結構，其框支層的樓層側向剛度不應小于相鄰非框支樓層側向剛度的50%”。樓層側向剛度的計算較為復雜，需要考慮彎曲、剪切和軸向變形的綜合效應。對于體型較為復雜的結構，由于存在各桿之間的協同作用以及平面內的扭轉，計算側向剛度已必須借助電算，考慮空間協同作用。

5 工程實例分析

某工程屬于復雜高層建筑結構中帶轉換層的結構類型，轉換層在首層，因為首層商業功能的需要，上部需要轉換的墻肢比較多。底部加強部位剪力墻及框支柱抗震等級為二級，底部加強部位以上標準層剪力墻抗震等級為三級，短肢剪力墻抗震等級為二級。

5.1 鋼筋混凝土剪力墻住宅結構設計

墻肢結構設計按照抗震設計要求，結合建筑平面布置在窗間墻及房間四角等布置成L形、T形或十字形短肢剪力墻和一般剪力墻。短肢剪力墻結構抗側移剛度主要取決于各墻肢剛度以及墻肢總量，墻肢太短或墻壁率太小，則結構剛度小，水平地震作用下位移偏大，影響承載力、穩定性和正常使用。反之，結構剛度偏大，地震作用大，構件配筋增大甚至超筋，形成浪費。

5.2 本工程實例結構構件設計及構造措施

5.2.1 梁、板的設計

本工程梁、板受力均按線彈性方法計算，考慮活荷載不利布置，與土壤接觸的梁、板按計算彎矩、剪力及0.2mm裂縫寬度共同控制配筋，其余樓板按照計算彎矩、剪力及0.3mm裂縫寬度共同控制配筋，地下室為超長結構，除設置了后澆帶外，其梁、板同時考慮了溫度應力的作用。樓板厚度主要設計為l00mm厚，對大跨度樓板根據跨度加厚樓板至120m--150rm，對6.0×6.0m間隔的大板，在板面無負筋的區域另加φ8@200雙向鋼筋網與板負筋搭接連結。首層（轉換層）頂板設計為180m厚，轉換層上部第一個標準層樓板設計為120mm，其余層電梯前室因為結構加強及預埋線管的原因，樓板厚度設計為150mm，屋頂樓板為120mm，這幾處均做了重點加強，采用雙層雙向配筋。梁的配筋率控制在0.45%～2.2%之間，對剪力墻開洞形成的跨高比小于5的梁按連梁設計，當跨高比大于等于5時，按框架梁進行設計。為減少梁、板結構因混凝土水化熱而產生的溫度裂縫，采用梁、板的混凝土強度等級低于柱、剪力墻混凝土強度等級12個級別，這樣既減少了溫度裂縫又節省了混凝土造價，同時構造配筋也減小了，降低了含鋼量，取得了一舉多得的效果。

5.2.2 短肢剪力墻設計

短肢剪力墻在二至四層為轉換層上部的加強部位，抗震等級按提高一級做加強處理措施，墻厚加厚至250mm～300mm，軸壓比控制在0.5以下，對約束邊緣構件及墻身的配筋做了一定的加強。四層以上按抗震等級三級短肢剪力墻要求設計，墻厚減薄至200mm-250mm，軸壓比控制在0.6以下，其構造邊緣構件縱筋按0.8%控制，箍筋的配箍特征值按0.1控制。為了增加結構整體扭轉剛度，減少扭轉變形，對角窗部位的剪力墻及邊緣構件也做了特別的加強。

5.2.3 框支框架、框支剪力墻設計

通過計算分析結果發現，框支柱頂及框支梁均出現較嚴重的應力集中現象，說明此處最容易破壞，需要加強。框支柱、梁截面配筋設計時比較TAT分析結果和SATWE分析結果，偏安全地取大值。框支柱、框支梁的抗震等級均提高至二級，本著“強剪弱彎"的原則，所有框支梁均采用φ12@100四肢箍全長加密。為實現“強柱弱梁，更強節點”的抗震設計目標，按二級抗震要求驗算框架節點。轉換層之上的三層剪力墻，由于結構剛度突變，引起內力集中，墻肢和連梁配筋以SATWE和TAT較大的計算結果做為設計依據，并適當放大加強。

6 結語

綜上所述，對于小高層建筑而言，通過設計分析數據可知，框支短肢剪力墻結構的轉換層工作狀態是穩定可靠的。我們在進行設計時不僅要要求整體結構的平面布置合理、豎向布置合理、周期位移控制合理，還應該重點考慮轉換層布置，使整體結構滿足周期比和位移比要求，加強結構的抗裂性能。

參考文獻：

[1] 王秀存 張海.局部框支-短肢剪力墻結構的設計思考和程序實現[J].工業建筑，2009年S1期.

[2] 瞿兆柏.框支短肢剪力墻結構的設計與分析[M].華南理工大學，2010年.

（作者單位：韶關市建筑設計院）