对建筑短肢剪力墙结构设计浅析

　　摘要: 带有短肢剪力墙的建筑结构在我国部分地区,特别是抗震设防等级不大的地区较为流行,因为该类建筑室内没有柱子,空间布局比较方便,又可以减轻结构自重,应用逐渐广泛。对短肢剪力墙及短肢剪力墙结构的判别方法讨论,归纳总结了规范对短肢剪力墙的规定,根据短肢剪力墙的特点,提出设计建议。

　　关键词:短肢剪力墙

　　Abstract: with a short shear wall structure of the building in some areas in China, especially the seismic fortification level not big area is popular, because the building interior no columns, the space layout is more convenient, and reduce weight structure has been used widely. To short-shear walls and short shear wall structure determination method for discussion, summarizes the rules for short-shear walls regulation, according to the characteristics of the short-shear walls, design proposals.

　　Keywords: short-shear walls

　　中图分类号：TU318 文献标识码：A 文章编号：

　　1　短肢剪力墙与普通剪力墙和异型柱的界定

　　短肢剪力墙是指墙肢的高度与厚度的比值(高厚比)为5~8倍的剪力墙;一般剪力墙是指墙肢高厚比大于8的剪力墙。当墙肢高厚比≤4时则是异型柱。

　　2　短肢剪力墙结构与剪力墙结构的界定

　　对于短肢剪力墙结构与剪力墙结构的界定,目前规范尚不统一。《高规》中解释为:当结构中短肢剪力墙数量较多时才属于短肢剪力墙结构。2004年中国建筑科学研究院《房屋建筑设计常见问题解答》中对相关规定作了如下解释:一般剪力墙结构中,如果存在少量的短肢剪力墙,则不必要遵守7·1·2条的规定。这里如何界定“较多”与“少量”的标准并不明确。由于一旦确定为短肢剪力墙结构,其抗震等级就要相应提高一级;一二级抗震等级的剪力需要提高,轴压比控制也更为严格,因此会造成结构造价增加。所以短肢剪力墙结构的判别标准是结构工程师比较关心的问题。目前从一些地方规定和各种资料看,采用的判别方法主要有三种:

　　2·1　按抗倾覆力矩来判别

　　当结构中的短肢剪力墙第一振型底部地震倾覆力矩占底部地震总倾覆力矩的40%~50%时,则可以认为该结构属于短肢剪力墙结构。当占底部地震总倾覆力矩小于40%是可认为是一般剪力墙结构。

　　2·2　按所承受荷载面积来判别

　　当短肢剪力墙所承担楼面负荷的面积占全部楼面面积的比值,对于多层建筑占60%以上,对于高层建筑占50%以上,则可以确认该结构为短肢剪力墙结构。

　　2·3　按短肢剪力墙截面面积与全部剪力墙截面面积的比值来判别

　　当短肢剪力墙截面面积占全部剪力墙截面面积的比值大于50%时可确定为短肢剪力墙结构。

　　3　短肢剪力墙的性能特点:

　　目前关于短肢剪力墙研究的文献很多,总体认为在中、小高层建筑结构中,联肢墙的单肢高厚比在5~8之间是一个刚度急剧变化的临界点,当单肢高厚比超过这个限值时,刚度和承载力会缓慢增长;当高厚比小于这个限值时,其承载力会急剧减小。从这一点来看,高规将短肢剪力墙的高厚比定义在5~8之间是合理的。

　　墙肢的高厚比小于5的小墙肢,难以形成联肢剪力墙,如果连梁刚度大就形成剪切变形为主的壁式框架,连梁刚度小容易形成抗侧刚度差的独立墙,甚至异形柱框架,抗震性能都不好。另一方面,对双肢短肢剪力墙在低周期反复水平荷载作用下,其破坏属弯剪形破坏,具有一定的耗能能力。

　　另外通过研究也发现作为联肢的短肢剪力墙,其左右墙肢的应力分布近似满足平面假定;有翼墙的墙肢受力明显优于无疑翼墙的墙肢;短肢剪力墙结构承担的总弯矩中局部弯矩所占的比例可以远远大于整体弯矩所占的比例,且随着肢厚比的增加这种趋势更加明显;在均部水平荷载或三角形水平荷载下,短肢剪力墙的侧移曲线是弯剪形的

　　总之,短肢剪力墙是介于异型柱及一般剪力墙之间的一种构件形式,在墙肢高度与厚度之比较小时(如接近4),其受力性能更接近于异型柱,反之则更接近于普通剪力墙。由于短肢剪力墙的截面特点,在一般情况下其在地震作用下的破坏形态是弯剪破坏。

　　4　规范对短肢剪力墙的要求:

　　由于短肢剪力墙抗震性能相对普通剪力墙结构较差,所以《高规》对短肢剪力墙的要求比一般剪力墙要严格,总结归纳详见表4。

　　5　短肢剪力墙配筋方式分析:

　　短肢剪力墙高厚比位于柱与一般剪力墙之间,在实际工程中,其配筋方式也由于工程设计者的个人习惯不同而有所差别。一般有两种配筋方式:第一种按柱配筋方式,纵筋基本均匀布置在剪力墙周边;第二种按剪力墙配筋方式,在墙端部设置暗柱,纵筋主要配置在暗柱内(见图1、图2)。以上两种配筋方式,无论是第一种还是第二种都有一定的不合理性,分析如下:

　　5·1　按柱配筋方式

　　与柱配筋相同,纵筋基本均匀配置在周边。而剪力墙的特点是平面内刚度大,承载力大,平面外刚度和承载力均相对较小。短肢剪力墙受力性能与一般剪力墙接近,变形后符合平面假定,受力时平面内两端受力大,因此,纵筋配置应集中在端部才能发挥钢筋强度。按照柱配筋方式墙肢中部配筋因距中和轴较近,不能充分发挥其强度。

　　同时参照异形柱配筋特点,异形柱配筋要求配置在端部边缘及折角处,腹部考虑受力翘曲影响,仅配置构造钢筋。由此可见按照柱配筋的方式与短肢剪力墙受力特点不符,配筋不合理。

　　5·2　按剪力墙配筋方式

　　短肢剪力墙受力特点与一般剪力墙相似,按照剪力墙配筋方式较符合其受力特点。通过在端部设置暗柱等边缘构件,由于边缘构件中箍筋对砼的约束,使砼有较大的变形能力,避免受压区混凝土过早的压碎破坏,同时也限制了裂缝的发展,从而提高了剪力墙的延性和耗能能力。然而当短肢剪力墙纵向钢筋大部分配置于端部暗柱内时,由于“高规”对短肢剪力墙纵向钢筋的配筋率规定为底部加强部位不宜小于1·2%其他部位不宜小于1·0%,可能使暗柱内配筋率过高,同时又可能出现在变截面处配筋量突变的情况。下面举例说明:

　　如图3所示,墙肢高厚比为8,判定为短肢剪力墙,暗柱按照“高规”规定设置,如图中阴影面积。暗柱面积占总截面面积的44%,假定该部位为底部加强区,剪力墙抗震等级二级,“高规”要求全部纵筋配筋率不小于1·2%。假设在非暗柱部位剪力墙纵筋配筋率为0·5%,则暗柱部位的配筋率为(1·2%-0·56×0·5%)/0·44=2·09%。假定该段墙上至非底部加强区楼层墙肢厚度改为240 mm(如图4),则墙肢高厚比为8·33,判定为一般剪力墙。按照“高规”规定设置构造边缘构件,暗柱纵向配筋率为0·7%。从暗柱配筋量变化可以看出从短肢剪力墙过渡到一般剪力墙,暗柱配筋会产生突变。同时,如果暗柱配筋是按构造配置则配筋率也明显偏高。暗柱配筋过高也可能造成剪力墙抗弯承载力过高,使受弯承载力高于受剪承载力,也就是可能产生剪切破坏先于弯曲破坏,而剪切破坏是脆性破坏,是设计应该避免的。由此可见按照第二种按剪力墙配筋方式也有一定的不合理性。

　　5·3　配筋建议

　　从上述分析中可以看出短肢剪力墙高厚比为5~8,受力状态从柱过渡到剪力墙,变化幅度大。工程中剪力墙形状也千变万化,设计中应根据实际情况具体处理。个人认为短肢剪力墙配筋可按照以下原则配置:

　　1)纵向钢筋的配置应主要配置在平面内的端部形成暗柱。暗柱范围可以按照一般剪力墙边缘构件的的要求确定。暗柱内的纵向钢筋配筋率可根据短肢剪力墙高厚比的增大而减小,当高厚比接近于一般剪力墙时,其暗柱内纵向钢筋配筋率也应接近于一般剪力墙边缘构件最小配筋率的要求。

　　2)当暗柱纵向配筋率较高时,为保证短肢剪力墙“强剪弱弯”的要求,应适当提高暗柱内的最小配箍率特征值,暗柱以外的墙肢内的水平配筋也应按一般剪力墙配筋构造适当加强。

　　6　短肢剪力墙结构设计建议

　　相对于短肢剪力墙结构的特点,在进行设计时,需要引起重视的方面如下:

　　1)由于短肢剪力墙结构相对于普通剪力墙结构其抗侧刚度相对较小,设计时宜布置适当数量的长墙,或利用电梯,楼梯间形成刚度较大的内筒,以避免设防烈度下结构产生大的变形,同时也形成两道抗震设防。

　　2)短肢剪力墙结构的抗震薄弱部位是建筑平面外边缘的角部处的墙肢,当有扭转效应时,会加剧已有的翘曲变形,使其墙肢首先开裂,所以,应尽量避免将短肢剪力墙布置在结构周边等扭转效应较大的部位,如必须布置时应加强其抗震构造措施,减小轴压比,增大纵筋和箍筋的配筋率;并且短肢墙应在两个方向上均有连接,避免形成孤立的“一”字形墙肢。

　　3)短肢剪力墙应尽量设计成联肢墙,通过各种研究试验分析,短肢剪力墙可以很好的形成联肢墙,可以提供足够的刚度。独立短肢剪力墙的刚度很低,对结构整体刚度贡献很小。

　　4)高层结构中的连梁是一个耗能构件,在短肢剪力墙结构中,墙肢刚度相对较小,连接各墙肢间的梁已类似普通框架梁,而不同于一般剪力墙间的连梁,不宜在计算的总体信息中将连梁的刚度大幅下调,使其设计内力降低,宜按普通框架梁要求,控制混凝土压区高度,其梁端负弯矩钢筋可由塑性调幅70%~80%来解决,按强剪弱弯,强柱弱梁的延性要求进行计算。

　　5)“高规”第7·2·1条中有规定短肢剪力墙全截面纵向钢筋最小配筋率的要求,而与抗震等级无关。对短肢剪力墙最小配箍率特征值也没有比一般剪力墙提高规定,实际工程设计时应根据具体情况进行调整处理。

　　6)“高规”第7·2·1条中的8条措施明确指出是为短肢剪力墙较多的情况下应采用的,对短肢剪力墙数量少,抗震等级低,所处部位不在角部,轴压比小,墙肢高厚比大等情况应根据具体工程实际情况理解和应用规范,做到安全、经济、合理。

　　7　结　语

　　短肢剪力墙结构有着较大的市场需求,在设计中根据其受力的特点,充分了解其破坏的各种机理,选用合理的结构形式,截面配筋,才能达到安全、经济、合理的目的。

　　参考文献

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