淺談剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

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【論文關(guān)鍵詞】剪力墻 短肢剪力墻 加強部位 有限元
論文摘要：剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計包括墻肢、連梁布置、截面計算及配筋構(gòu)造等。本文著重論述剪力墻設(shè)計中應(yīng)著重注意以下問題：
　　1、剪力墻的布置；
　　2、有關(guān)短肢剪力墻設(shè)計。
　　一、剪力墻布置
　　剪力墻布置除應(yīng)符合規(guī)程中有關(guān)規(guī)定外，在本文中進一步對剪力墻的布置提出了一些要求，其中關(guān)于短肢剪力墻和梁、墻布置都屬于本文著重闡述的內(nèi)容。
　　1、雙向布置剪力墻及抗側(cè)剛度
　　高層建筑應(yīng)有較好的空間工作性能，剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)雙向布置，形成空間結(jié)構(gòu)。在抗震結(jié)構(gòu)中，應(yīng)避免單向布置剪力墻，并宜使兩個方向抗側(cè)剛度接近，即兩個方向的自振周期宜相近。
　　另一方面，剪力墻的抗側(cè)剛度及承載力均較大，為充分利用剪力墻的能力，減輕結(jié)構(gòu)重量，增大剪力墻結(jié)構(gòu)的可利用空間，墻不宜布置太密，使結(jié)構(gòu)具有適宜的側(cè)向剛度。
　　2、豎向剛度均勻
　　剪力墻布置對結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度有很大影響，剪力墻沿高度不連續(xù)，將造成結(jié)構(gòu)沿高度剛度突變，所以應(yīng)要求剪力墻自上到下連續(xù)布置。允許沿高度改變墻厚和混凝土等級，或減少部分墻肢，使抗側(cè)剛度沿高度逐漸減小。
　　 3、墻肢高寬比
　　細(xì)高的剪力墻容易設(shè)計成受彎曲破壞的延性剪力墻，從而可避免脆性的剪切破壞。在抗震結(jié)構(gòu)中剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)具有延性，設(shè)計中墻的高寬應(yīng)比不應(yīng)小于2。當(dāng)墻的長度很長時，為了滿足每個墻段高寬比大于2的要求，可通過開設(shè)洞口將長墻分成長度較小、較均勻的獨立墻段，每個獨立墻段可以是整體墻，也可以是聯(lián)肢墻。
　　4、剪力墻洞口的布置
　　剪力墻洞口的布置，會極大地影響剪力墻的力學(xué)性能。因此，布置剪力墻洞口時應(yīng)滿足以下3方面要求。
　　（1）規(guī)則開洞，洞口成列、成排布置，能形成明確的墻肢和連梁，應(yīng)力分布比較規(guī)則，又與當(dāng)前普遍應(yīng)用程序的計算簡圖較為符合，設(shè)計結(jié)果安全可靠。同時宜避免使墻肢剛度相差懸殊的洞口設(shè)置；
　　（2）對于錯洞剪力墻和疊合錯洞墻，二者都是不規(guī)則開洞的剪力墻，其應(yīng)力分布復(fù)雜，容易造成剪力墻的薄弱部位，常規(guī)計算無法獲得其實際內(nèi)力，構(gòu)造比較復(fù)雜。其主要特點是洞口錯開距離很小，甚至疊合，不僅墻肢不規(guī)則，洞口之間形成薄弱部位，疊合錯洞墻比錯洞口墻更為不利，設(shè)計時應(yīng)盡量避免。當(dāng)無法避免疊合錯洞布置時，應(yīng)按有限元方法仔細(xì)計算分析并在洞口周邊采取加強措施或采用其他輕質(zhì)材料填充將疊合洞口轉(zhuǎn)化為規(guī)則洞口的剪力墻或框架結(jié)構(gòu)；
　?。?）具有不規(guī)則洞口剪力墻的內(nèi)力和位移計算應(yīng)符合規(guī)程的有關(guān)規(guī)定。目前除了平面有限元方法外，尚沒有更好的簡化方法計算。對結(jié)構(gòu)整體計算中采用了桿系、薄壁桿系模型或?qū)Χ纯谧髁撕喕幚淼钠渌邢拊Ｐ蜁r，應(yīng)對不規(guī)則開洞墻的計算結(jié)果進行分析、判斷，必要時應(yīng)進行補充計算和校核。
　　5、剪力墻和加強部位
　?。?）抗震結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)塑性鉸的部位應(yīng)作為加強部位。而剪力墻頂層、樓電梯間墻等不宜作為加強部位，這樣作的目的是對塑性鉸部位可以有更明確的措施，與由于溫度、收縮等需要的加強措施區(qū)別；
　　（2）剪力墻塑性鉸出現(xiàn)后，剪力墻應(yīng)具有足夠的延性，剪力墻底部塑性鉸出現(xiàn)都有一定范圍，該范圍內(nèi)應(yīng)當(dāng)加強構(gòu)造措施，提高其抗剪切破壞的能力；
　?。?）為安全起見，設(shè)計剪力墻時將加強部位范圍適當(dāng)擴大，抗震設(shè)計時，一般剪力墻結(jié)構(gòu)底部加強部位的高度可取墻肢總高度的1/8和底部兩層二者的較大值，當(dāng)剪力墻高度超過150m時，為避免加強區(qū)太高，其底部加強部位的高度可取墻肢總高度的1/10。
　　二、短肢剪力墻設(shè)計要求
　　短肢剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比為5~8的剪力墻，一般剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比大于8的剪力墻。當(dāng)截面高度與厚度之比小于3時，應(yīng)按柱計算（當(dāng)形成異型柱時，則應(yīng)按異型柱的要求設(shè)計，但高層建筑中不允許采用異型柱框架結(jié)構(gòu)），至于剪力墻高度與厚度之比大于3、又小于5的剪力墻，實際上也是短肢剪力墻，由于它們更弱，可以提出不宜采用小于5的墻肢，對這種小墻肢的軸壓比應(yīng)修予更嚴(yán)格的限制，因此即使采用短肢剪力墻，也要盡可能使墻肢截面高度與厚度之比大于5。

近年興起的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，有利于住宅建筑布置，又可進一步減輕結(jié)構(gòu)自重，應(yīng)用逐漸廣泛。但是由于短肢剪力墻抗震性能較差，地震區(qū)應(yīng)用經(jīng)驗不多，考慮高層住宅建筑的安全，其剪力墻不宜過少、墻肢不宜過短，可以對短肢剪力墻的應(yīng)用范圍應(yīng)在設(shè)計中加以限制，并采取一些加強措施。
　　1、應(yīng)用范圍
　　高層建筑結(jié)構(gòu)不應(yīng)采用全部為短肢剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)。設(shè)計時應(yīng)注意：短肢剪力墻較多時，應(yīng)布置筒體（或一般剪力墻），形成短肢剪力墻與筒體（或一般剪力墻）共同抵抗水平力的剪力墻結(jié)構(gòu)；其次，具有較短肢剪力墻的墻的剪力墻結(jié)構(gòu)最大適用高度應(yīng)比規(guī)范中剪力墻結(jié)構(gòu)的規(guī)定值適當(dāng)降低，7度和8度抗震設(shè)計時分別不應(yīng)大于100m和60m；第三，對于B級高度高層建筑和9度抗震設(shè)計的A級高度高層建筑，即使設(shè)置筒體，也不應(yīng)采用具有較多短肢剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)；第四，如果在剪力墻結(jié)構(gòu)中，只有個別小墻肢，不屬于這種短肢剪力墻與筒體共同工作的剪力墻結(jié)構(gòu)。
　　2、加強措施
　　對于短肢剪力墻設(shè)計中應(yīng)著重以下加強措施。
　?。?）為限制過多的剪力墻的數(shù)量，在抗震設(shè)計時，筒體和一般剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩不宜小于結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩50%；
　　（2）抗震設(shè)計時，短肢剪力墻的抗震等級應(yīng)比規(guī)范中規(guī)定的剪力墻的抗震等級提高一級采用；目的是從構(gòu)造上改善短肢剪力墻的延性；
　?。?）出于改善延性的考慮，抗震設(shè)計時，各層短肢剪力墻在重力荷載代表值作用下產(chǎn)生的軸力設(shè)計值的軸壓比，抗震等級為一、二、三時分別不宜大于0.5、0.6和0.7（對一般剪力墻，三級抗震等級時軸壓比未限制）；對于無翼緣或端柱的一字形短肢剪力墻，其延性更為不利，因此軸壓比限值要相應(yīng)降低0.1；
　　 （4） 對于短肢剪力墻的剪力設(shè)計值，不僅底部加強部位應(yīng)調(diào)整，其他各層也要調(diào)整，一、二、級抗震等級應(yīng)分別乘以增大系數(shù)1.4和1.2，目的是避免短肢剪力墻過早剪壞；
　　（5）短肢剪力墻截面的縱向鋼筋的配筋率，底部加強部位不宜小于1.2%，其它部位不宜小于1.0%；
　?。?）對于短肢剪力墻截面最小厚度，無論抗震還是非抗震設(shè)計，其厚度都不應(yīng)小于200㎜；對于非抗震設(shè)計，除要求建筑最大適用高度適當(dāng)降低外，對墻肢厚度限制的目的是使墻肢不致過小。
　　總之，在剪力墻布置中洞口宜上下對齊使之受力明確，盡量避免出現(xiàn)錯洞與疊合錯洞的出現(xiàn)。在短肢剪力墻設(shè)計中應(yīng)注意其肢長、加強部位、構(gòu)造要求等要求。
　　參考資料：
　　[1]呂文、錢稼茹，基于位移延性剪力墻抗震設(shè)計《建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報》1999.3 。
　　[2]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中國建筑工業(yè)出版社。
　　[3]袁端眼、虞煥新，《工程結(jié)構(gòu)》同濟大學(xué)出版社。
　　[4]《全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施·結(jié)構(gòu)》中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院。