多層短肢剪力墻住宅結構設計方法研究

謝志成

（廣東省重工建筑設計院有限公司，廣東 廣州 510670）

0 引言

隨著人民對生活居住空間環境要求的提高，多層疊墅、別墅等類型住宅越來越受到房產市場的歡迎。多層住宅可采用框架結構、異形柱結構、剪力墻結構、異形柱剪力墻結構等常見的混凝土結構體系[1]。框架柱截面尺寸往往大于墻厚影響室內使用，異形柱結構由軸壓比或剪壓比控制時柱肢較長，結構過渡為異形柱剪力墻結構或剪力墻結構。在嚴控結構造價的背景下，剪力墻的長度一般無法達到一般剪力墻的長度，形成短肢剪力墻結構或者異形柱-短肢剪力墻結構，然而規范對具有大量短肢剪力墻或全短肢剪力墻的結構體系的設計規定并不清晰。

1 短肢剪力墻

1.1 短肢剪力墻的規定

《建筑抗震設計規范（2016年版）》（GB 50011—2010）[2]6.4.6條規定，墻肢長度與墻厚的比值小于等于3時，按柱設計。《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）[3]（簡稱《高規》）7.1.7規定，墻肢截面高度不大于墻厚的4倍時，宜按柱設計。《高規》7.1.8條注1規定墻厚不大于300mm，各墻肢截面高度與墻厚之比在4~8倍（含8倍）的墻為短肢剪力墻。《高規》7.1.8條規定了具有較多短肢剪力墻的剪力墻結構定義以及承擔的底部傾覆力矩的上限值50%，然而多層住宅建筑中往往含有大量短肢剪力墻（超過50%）或為全短肢剪力墻，此類短肢剪力墻結構[4]體系是否成立，應該如何設計卻未見規定。

1.2 短肢剪力墻的受力特性

為明確多層短肢剪力墻結構的設計原則，首先需要了解短肢剪力墻的受力特性以及《高規》相關規定的出發點。《高規》7.1.8條條文說明指出，短肢剪力墻沿高度方向可能存在較多墻肢出現反彎點，其受力接近異形柱又承擔較大軸力和剪力，其抗震性能較差，并且震區應用經驗不多，因此對高層住宅結構中短肢剪力墻的占比進行限制，尤其應避免剪力墻全為短肢剪力墻的結構形式。《高規》7.1.7條條文說明指出，墻柱均為壓彎構件，破壞狀態和計算原理基本相同，但配筋構造和計算方法不相同。《高規》7.2.2條條文說明指出，為防止短肢剪力墻因受荷范圍過大造成過早壓壞導致樓板坍塌，對短肢剪力墻的軸壓比進行了嚴格限制；一字形短肢剪力墻的延性和平面外穩定性均較差，因此一字形短肢剪力墻及與其平面外相交的單側樓面梁均宜避免。

從上述規定可以看出，短肢剪力墻是一種受力兼具一般剪力墻和異形柱受力特點的結構構件，其延性較差，為防止其過早壓壞，需要嚴格控制其軸壓比；一字型短肢剪力墻的延性和平面外穩定性更為不利，更需嚴格限制和謹慎對待。

2 多層結構中短肢剪力墻的設計方法

2.1 結構體系的選擇

2.1.1 豎向構件的類型

對于豎向構件，當墻肢截面高度與厚度之比不大于4時為異形柱，墻肢截面高度與厚度之比大于4不大于8時為短肢剪力墻，墻肢截面高度與厚度之比大于8時為一般剪力墻。

2.1.2 結構體系的判定

在多層住宅建筑中，對于大量短肢剪力墻或全短肢剪力墻的結構，由于其短肢剪力墻一般較短，結構整體更加接近類似框架結構的剪切變形和框剪結構的彎剪變形的模式。因此，在計算結構底部總地震傾覆力矩的占比時，可將出現反彎點的短肢剪力墻統計為異形柱，其余短肢剪力墻統計為短肢剪力墻（簡稱真短肢剪力墻），真短肢剪力墻的占比需滿足高規對于短肢剪力墻承擔的底部傾覆力矩的限制，以滿足規范的協調性和一致性。同時，按照《混凝土異形柱結構技術規程》[5]（簡稱《異柱規》）3.1.6條，根據結構底層框架部分（包括異形柱和統計為異形柱的短支剪力墻）傾覆力矩的占比，確定結構體系和相應的設計方法。

2.2 豎向構件的設計與構造

2.2.1 結構分析與內力計算

在國內主流的結構設計軟件PKPM和盈建科中，選用柱單元和墻單元進行計算，內力分析結果存在著一些不同。柱為桿單元，剪力墻為殼單元，其單元網格劃分不同。柱與梁端形成剛域，剪力墻與梁端不考慮剛域。柱與剪力墻的軸壓比的計算方式和傾覆力矩統計不同，柱有兩個方向的傾覆力矩，剪力墻一般僅考慮面內的傾覆力矩作用。在進行構件設計時，柱的內力需要進行強柱根、強柱弱梁、強剪弱彎、強角柱等調整，短肢剪力墻對各層進行了剪力調整。

在多層建筑中，可仍按照墻肢截面的高度和墻厚的比值確定柱單元和墻單元的選擇。由于易出現反彎點的短肢墻長度一般較短，墻元尺寸一般選擇1m的情況下，與柱單元的劃分接近。節點剛域的取值對結構的剛度和內力分布有一定的影響，但對總體的影響不大。設計時，可不考慮柱端的剛域而僅考慮梁端的剛域，這對于柱和剪力墻的截面設計是偏于安全的，同時也減小了梁端的配筋，起到了強柱弱梁的作用。傾覆力矩的統計主要影響結構體系的判斷，尤其是對于一字型短肢剪力墻較多的情況，應只考慮剪力墻面內貢獻，面外貢獻計入框架中，同時將出現反彎點的短肢剪力墻按異形柱進行統計，以確定結構體系和設計方法，但其軸壓比、抗震等級等仍應滿足對于短肢剪力墻的要求。多層建筑底部加強部位為一層，剪力墻的剪力放大系數略大于底層柱下端截面的彎矩放大系數，其余各層同樣進行了剪力放大，起到了類似于柱的強柱根和強剪弱彎的作用，而強柱弱梁和強角柱則可通過配筋形式來進行調整，因此對于受力接近于異形柱的短肢剪力墻而言，同樣能夠滿足抗震概念設計的要求。

2.2.2 截面配筋及構造

（1）軸壓比。短肢剪力墻承擔較大軸力和剪力時，其抗震性能較差，因此對于多層建筑中的短肢剪力墻，仍應參照《高規》7.2.2條的軸壓比限值進行。

（2）截面配筋。短肢剪力墻受力形式接近異形柱，其配筋應同時滿足短肢剪力墻和異形柱的要求。短肢剪力墻的全部豎向鋼筋的配筋率和肢端的豎向鋼筋配筋率應同時滿足《高規》7.2.2條和《異柱規》6.2.5條的要求。對于出現反彎點的短肢剪力墻墻，可將計算所需的縱筋面積全部配置在肢端，增加其實際受彎承載力，對于在建筑角部和樓梯間的，其邊緣構件的縱筋直徑不應小于14mm，以滿足強柱弱梁和強角柱的抗震概念設計要求。對于出現反彎點的短肢剪力墻，箍筋應設加密區，其最外圈箍筋應閉合，箍筋的直徑、間距、體積配箍率等均應同時滿足對短肢剪力墻和異形柱的要求。

3 短肢剪力墻多層結構案例

3.1 工程概況

某一短肢剪力墻多層別墅，地上3層，首層層高3.6m，二、三層層高3.3m，房屋高度為10.5m。抗震設防烈度Ⅶ度（0.1g），場地土類別Ⅱ類，設計地震分組第二組，豎向構件厚度均為200mm。采用PKPM進行結構分析計算，建模方式、單元選擇和參數設置等均按照上文所述。結構平面布置圖如圖1所示。

圖1 結構平面布置

3.2 分析計算結果

3.2.1 小震彈性分析結果

按照上述結構體系判定方法，將出現反彎點的短肢剪力墻統計為異形柱。在小震工況下，讀取各豎向構件的計算地震剪力，通過∑M=∑V×H計算底層各部分地震傾覆力矩占比為：X方向框架部分75.8%，真短肢剪力墻24.2%，一般剪力墻0%；Y方向框架部分65.4%，真短肢剪力墻14.7%，一般剪力墻19.9%。真短肢剪力墻占比滿足規范要求，應按框架-剪力墻結構設計，框架和剪力墻部分的抗震等級均為三級，短肢剪力墻軸壓比按0.55控制（一字型按0.45）。

小震計算結果如下：第一周期為X向平動，T1=0.4137s，第二周期為Y向平動，T2=0.3809s；地震工況下的最大層間位移角為X向1/1619、Y向1/2101，均發生在2層；地震工況下的最大位移比為X向1.23（2層）、Y向1.18（1層）；地震工況下的最大層間位移比為X向1.24（2層）、Y向1.28（3層）；小震基底剪力為X向1082.8kN、Y向1387.4kN；豎向構件最大軸壓比為0.39。小震計算結果均滿足規范要求。

3.2.2 大震靜力彈塑性分析結果

為全面了解短肢剪力墻多層結構的抗震能力，采用PKPM的靜力推覆分析模塊對上述結構進行靜力彈塑性分析。推覆沿著X、Y方向分兩次進行，采用倒三角形荷載，水平地震影響系數最大值Amax=0.5，特征周期Tg=0.45s。X、Y向大震推覆分析驗算分別如圖2、圖3所示。

圖2 X向大震推覆分析驗算

圖3 Y向大震推覆分析驗算

分析結果表明：X、Y向的大震彈塑性分析基底剪力分別為5422.6kN和5373.1kN，與小震CQC算得剪力的比值在分別為5.00、3.87，在3.0~5.0左右的可接受區間范圍內，地震力滿足要求。X、Y方向大震下能力譜與需求譜曲線均有交點，罕遇地震作用下樓層的最大層間位移角為X向1/283、Y向1/273，均遠小于規范限值，且經過性能點后，結構仍有相當的變形能力。整個靜力推覆過程中，塑性鉸最先出現在梁上，梁鉸充分發展后，剪力墻上逐漸出現塑性鉸，與預期塑性化過程吻合，且墻鉸比例僅為7.8%（X向推覆）、7.65%（Y向推覆），結構仍具有較強的側向荷載抗力。整體結果表明大量短肢剪力墻應用在多層建筑中仍能保證結構安全，滿足“大震不倒”的要求。

4 結論和建議

本文研究分析了多層短肢剪力墻住宅結構的受力特性及設計方法。在進行結構體系判定時，可將具有反彎點的短肢剪力墻統計為異形柱，以計算真短肢剪力墻和異形柱的底部傾覆彎矩占比，真短肢剪力墻占比需滿足《高規》7.1.8條的要求，結構體系按《異柱規》3.1.6條判定。具有反彎點的短肢剪力墻配筋應同時滿足柱和短肢剪力墻的要求，所有短肢剪力墻的軸壓比按照《高規》7.2.2條進行控制。按此方法設計的多層短肢剪力墻住宅結構的算例結果表明，此設計方法概念清晰、安全可靠，能夠滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防目標，達到使結構安全、經濟、合理的目的。