小高層建筑中短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)淺析

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摘要：本文筆者根據(jù)頒布的《抗震規(guī)范》和《高規(guī)》，介紹了短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)布置，并對(duì)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析和設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題進(jìn)行了探討，提出了與其相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法和建議；
 　　關(guān)鍵詞：短肢剪力墻；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；計(jì)算分析
 　　
 　　一、前言
 　　
 　　近年來(lái)，隨著人們對(duì)住宅，特別是小高層及多層住宅平面與空間的要求越來(lái)越高，原來(lái)普通框架結(jié)構(gòu)的露柱露梁、普通剪力墻結(jié)構(gòu)對(duì)建筑空間的嚴(yán)格限定與分隔已不能滿足人們對(duì)住宅空間的要求。“短肢剪力墻結(jié)構(gòu)”這種新的高層住宅結(jié)構(gòu)體系由于克服了普通框架與普通剪力墻結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，有利于住宅建筑布置，結(jié)合住宅建筑平面開問(wèn)小、進(jìn)深小及層高低的特點(diǎn)，又可進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)自重，逐漸得到了推廣應(yīng)用，并廣泛受到建筑師和業(yè)主的歡迎。本文筆者根據(jù)頒布的《抗震規(guī)范》和《高規(guī)》，在工程實(shí)踐中對(duì)該體系的結(jié)構(gòu)布置要點(diǎn)及計(jì)算中需注意的一些問(wèn)題進(jìn)行了探討。
 　　
 　　二、結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)
 　　
 　　(一)滿足建筑功能的需要
 　　1、墻肢與填充墻等厚，連接各墻的梁位于隔墻豎向平面內(nèi)，避免框架結(jié)構(gòu)中梁柱突出墻面的問(wèn)題。
 　　2、墻體采用輕質(zhì)材料，符合墻體改革的方向。
 　　3、雖然短肢墻構(gòu)件增加了施工難度，但擴(kuò)大了使用面積。
 　　
 　　(二)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要
 　　1、在小高層住宅中，與常用的框架——抗震墻體系相比，框架——抗震墻體系具有受力明確，計(jì)算簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但其柱子截面大，梁柱外露，影響美觀和使用，在平面復(fù)雜多變的情況下結(jié)構(gòu)布置體系難趨合理，結(jié)構(gòu)分析計(jì)算困難。而短肢剪力墻體系，墻肢和梁可隱蔽，結(jié)構(gòu)布置靈活。墻的數(shù)量和肢長(zhǎng)根據(jù)抗側(cè)力的需要而定，數(shù)量可多可少，肢長(zhǎng)可長(zhǎng)可短，還可通過(guò)不同的尺寸和布置以調(diào)整剛度和剛度中心的位置。
 　　2、在小高層住宅中，與常用的剪力墻體系相比，短肢剪力墻體系具有如下優(yōu)點(diǎn)：
 　　1、充分利用墻肢的承載能力，避免傳統(tǒng)剪力墻結(jié)構(gòu)中墻體過(guò)長(zhǎng)而通常為構(gòu)造配筋的浪費(fèi)。
 　　2、減輕結(jié)構(gòu)自重，降低主體結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)造價(jià)，尤其對(duì)于地基承載力較低的地區(qū)經(jīng)濟(jì)效益顯著。
 　　3、結(jié)構(gòu)自振周期相對(duì)加大，彌補(bǔ)剪力墻體系抗側(cè)剛度大，從而地震反應(yīng)加大的缺點(diǎn)。
 　　4、主體結(jié)構(gòu)中大多數(shù)墻肢呈受彎工作狀態(tài)，從而保證墻體具有足夠的延性：同時(shí)大多數(shù)連梁的跨高比大于2 5，保證整體剛度的同時(shí)降低連梁的自身剛度，避免連梁的剪切破壞，使連梁也具有足夠的延性，以此來(lái)彌補(bǔ)剪力墻體系延性的不足。
 　　
 　　三、結(jié)構(gòu)布置中需注意的問(wèn)題
 　　
 　　短肢剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能較差，故應(yīng)加強(qiáng)抗震薄弱環(huán)節(jié)，注重概念設(shè)計(jì)，滿足高規(guī)要求。
 　　(一)短肢剪力墻應(yīng)均勻布置，使墻的軸向應(yīng)力差別不宜過(guò)大。豎向布置短肢剪力墻，盡可能做到墻肢上、下對(duì)齊、連續(xù)，盡量避免洞口錯(cuò)位，與連梁一起構(gòu)成連續(xù)跨數(shù)較多的抗側(cè)力體系。
 　　(二)每道短肢剪力墻宜有兩個(gè)方向的梁與之相連接，連梁盡可能布置在墻肢的豎向平面內(nèi)。短肢剪力墻應(yīng)該盡量在另一方向上設(shè)置翼緣，盡可能避免有一字形短肢剪力墻出現(xiàn)。結(jié)構(gòu)布置上考慮縱橫墻的共同作用。
 　　(三)短肢剪力墻應(yīng)設(shè)計(jì)成強(qiáng)墻柱弱連梁的體系。所謂強(qiáng)墻柱，是指墻柱可采用強(qiáng)度等級(jí)高的混凝土，加強(qiáng)墻柱配筋：盡可能減少連梁高度，使分配的地震力不至于太大，也使短肢剪力墻體系計(jì)算更合理。
 　　(四)B級(jí)高度高層建筑及9度抗震設(shè)計(jì)的A級(jí)高度高層建筑，不能采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。
 　　(五)最大適用高度比高規(guī)表中剪力墻結(jié)構(gòu)的規(guī)定值適當(dāng)降低，且7度和8度抗震設(shè)計(jì)時(shí)分別不應(yīng)大于100m和60m。

四、結(jié)構(gòu)計(jì)算模型和軟件
 　　
 　　短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是適應(yīng)建筑要求而形成的特殊的剪力墻結(jié)構(gòu)。其計(jì)算模型同于普通剪力墻結(jié)構(gòu)，將結(jié)構(gòu)作為空間體系，粱和柱均采用空間桿單元，剪力墻單元模型。目前計(jì)算上可采用的三維空間分析軟件有開口薄壁計(jì)算模型，空間膜元，板殼單元模型以及墻組元模型。樓板假定有無(wú)限剛和彈性兩種，
 　　目前短肢剪力墻結(jié)構(gòu)廣泛采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM-CADI程部的兩個(gè)計(jì)算軟件，TAT(多層及高層建筑結(jié)構(gòu)三維分析與計(jì)算軟件)和SATWE(高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限及分析與設(shè)計(jì)軟件)。TAT用來(lái)計(jì)算一些結(jié)構(gòu)體系較為規(guī)整的高層建筑物，其計(jì)算模型視墻為薄壁桿件；SATWE用來(lái)計(jì)算一些結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜、規(guī)模大的高層或超高層建筑物，是基于殼元理論的考慮空間組合作用的有限元分析方法，減少模型化誤差，精度高。SATWE是較實(shí)用的板殼單元模型，其特點(diǎn)是用每一節(jié)點(diǎn)六個(gè)自由度的殼無(wú)來(lái)模擬剪力墻單元。剪力墻既有平面內(nèi)的剛度，又有平面外的剛度，樓板既可以按彈性考慮，也可以按剛性板考慮，這是一種接近實(shí)際情況的模型。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)針對(duì)建筑特點(diǎn)選擇合適的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件。

    值得注意的是：軟件計(jì)算時(shí)并不是墻元?jiǎng)澐值迷郊?xì)越好。當(dāng)墻元?jiǎng)澐诌^(guò)細(xì)時(shí)，由于單元有一定的厚度，當(dāng)單元的長(zhǎng)、寬與厚度之比接近時(shí)，就不能再作為墻單元計(jì)算。
 　　
 　　五、運(yùn)用結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件容易忽視的問(wèn)題
 　　
 　　新《抗震規(guī)范》和新《高規(guī)》已頒布實(shí)施多年，兩本規(guī)范中關(guān)于地震作用計(jì)算、結(jié)構(gòu)內(nèi)力調(diào)整等內(nèi)容較以前均有很大變動(dòng)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)理解新規(guī)范中的條文內(nèi)容并在電算過(guò)程中貫徹實(shí)施。
 　　
 　　(一)總體計(jì)算中總信息的輸入
 　　1、對(duì)振型數(shù)量的要求。新《高規(guī)》第10章將帶轉(zhuǎn)換層的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)列為復(fù)雜高層建筑。第5.L.13條規(guī)定了計(jì)算地震作用時(shí)的最小振型數(shù)。實(shí)際上最根本的要求是要保證振型參與質(zhì)量達(dá)到總質(zhì)量的90％以上。振型數(shù)最好是3的倍數(shù)。振型數(shù)的大小與結(jié)構(gòu)層數(shù)及結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，當(dāng)結(jié)構(gòu)層數(shù)較多或結(jié)構(gòu)剛度突變較大時(shí)，振型數(shù)也應(yīng)取大此。尤其對(duì)于高位轉(zhuǎn)換，由于轉(zhuǎn)換層的質(zhì)量遠(yuǎn)大于其他樓層，導(dǎo)致不同振型時(shí)地震作用在轉(zhuǎn)換層處突然增大，尤以轉(zhuǎn)換層位置在振型曲線振幅最大處或附近時(shí)更為顯著，因而轉(zhuǎn)換層在較高位置時(shí)，高振型的影響可能明顯增大，建議在計(jì)算分析時(shí)，取較多振型。
 　　參考取值：帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑：振型數(shù)取30；多塔樓結(jié)構(gòu)：振型數(shù)n x 9(n為塔樓數(shù))。
 　　2、連梁的剛度折減。高層建筑中的連梁是一個(gè)耗能構(gòu)件，連梁的剪切破壞會(huì)使結(jié)構(gòu)的延性降低，對(duì)抗震不利，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意對(duì)連梁按“強(qiáng)剪弱彎”的延性要求進(jìn)行計(jì)算。多、高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中允許連梁的剛度有所下降，程序中通過(guò)連梁剛度折減系數(shù)來(lái)反映開裂后的連梁剛度。但應(yīng)注意短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中，墻肢剛度相對(duì)較小，連接各墻肢的梁已類似普通框架粱，而不同于一般剪力墻問(wèn)的連梁，不應(yīng)在計(jì)算的總體信息中將連梁的剛度大幅下調(diào)，使其設(shè)計(jì)內(nèi)力降低，應(yīng)按普通框架梁的要求，控制混凝上壓區(qū)高度，其梁端負(fù)彎矩鋼筋可由塑性調(diào)幅70％、80％來(lái)解決。
 　　3、短肢剪力墻的抗震構(gòu)造。
 　　1　抗震設(shè)計(jì)時(shí)，短肢剪力墻的抗震等級(jí)應(yīng)比高規(guī)第48.2條規(guī)定的剪力墻抗震等級(jí)提高一級(jí)；
 　　2　抗震設(shè)計(jì)時(shí)，底部加強(qiáng)層應(yīng)按高規(guī)第7.2.10條調(diào)整剪力設(shè)計(jì)值，其他各層短肢剪力墻的剪力設(shè)計(jì)值，一級(jí)抗震等級(jí)應(yīng)分別乘以增大系數(shù)1.4和1.2；短肢剪力墻截面厚度不應(yīng)小于200 mm；抗震設(shè)計(jì)時(shí)，短肢剪力墻截面的全部縱向鋼筋的配筋率，底部加強(qiáng)部位不宜小于1.2％。其他部位不宜小于1.0％：新“抗震規(guī)范”出現(xiàn)了約束邊緣構(gòu)件這個(gè)概念，對(duì)抗震等級(jí)為二級(jí)及以上的短肢剪力墻，由于墻肢長(zhǎng)度較短，約束邊緣構(gòu)件沿墻肢兩個(gè)方向近于整段墻肢，為了加強(qiáng)墑肢抗震性能，可以把整段墻肢作為約束邊緣構(gòu)件考慮。
 　　(二)程序輸入和輸出時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題
 　　1、轉(zhuǎn)換層所在層號(hào)、框支梁、框支柱、角柱的指定?？蛑Я?、框支柱、角柱是帶轉(zhuǎn)換層的復(fù)雜高層建筑抗震設(shè)計(jì)時(shí)需特別加強(qiáng)的構(gòu)件?！犊拐鹨?guī)范》和《高規(guī)》按“強(qiáng)剪弱彎”的原則，對(duì)其抗震等級(jí)和組合設(shè)計(jì)內(nèi)力值進(jìn)行調(diào)整，并采取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施。因此，程序輸入過(guò)程中正確指定轉(zhuǎn)換層所在層號(hào)、框支梁、框支柱和角柱，對(duì)計(jì)算結(jié)果的合理輸出是相當(dāng)重要的。也是設(shè)計(jì)人員容易忽視的問(wèn)題。
 　　2、框支剪力墻的下端節(jié)點(diǎn)一定要落在框支梁上。