小高層短肢剪力墻結構設計的探討

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　近幾年來，隨著房地產(chǎn)熱的興起，人們對住宅平面與空間的要求也越來越高，小高層建筑形式不斷涌現(xiàn)。“短肢剪力墻結構”這種新的高層住宅結構體系由于克服了普通框架與普通剪力墻結構的缺點，有利于住宅建筑布置，結合住宅建筑平面開間小、進深小及層高低的特點，又可進一步減輕結構自重，逐漸得到了推廣應用，例如已建成宏泰大廈、御景花園等工程，都采用了這種結構體系，并廣泛受到建筑師和業(yè)主的歡迎。新頒布的《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》也對該結構形式給予了肯定。
　　
　　一、結構體系的優(yōu)點
　　
　?。ㄒ唬M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，避免框架結構中梁柱突出墻面的問題。
　　2．墻體采用輕質材料，符合墻體改革的方向。
　　3．雖然短肢墻構件增加了施工難度，但擴大了使用面積。
　　
　?。ǘM足結構設計的需要
　　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，計算簡單等優(yōu)點，但其柱子截面大，梁柱外露，影響美觀和使用，在平面復雜多變的情況下結構布置體系難趨合理，結構分析計算困難。而短肢剪力墻體系，墻肢和梁可隱蔽，結構布置靈活，墻的數(shù)量和肢長根據(jù)抗側力的需要而定，數(shù)量可多可少，肢長可長可短，還可通過不同的尺寸和布置以調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：（1）充分利用墻肢的承載能力，避免傳統(tǒng)剪力墻結構中墻體過長而通常為構造配筋的浪費。（2）減輕結構自重，降低主體結構和基礎造價，尤其對于地基承載力較低的地區(qū)經(jīng)濟效益顯著。（3）結構自振周期相對加大，彌補剪力墻體系抗側剛度大，從而地震反應加大的缺點。（4）主體結構中大多數(shù)墻肢呈受彎工作狀態(tài)，從而保證墻體具有足夠的延性；同時大多數(shù)連梁的跨高比大于2. 5，保證整體剛度的同時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，以此來彌補剪力墻體系延性的不足。
　　
　　二、結構布置中需注意的問題
　　
　　短肢剪力墻結構抗震性能較差，故應加強抗震薄弱環(huán)節(jié)，注重概念設計，滿足高規(guī)要求。
　　1．短肢剪力墻應均勻布置，使墻的軸向應力差別不宜過大。豎向布置短肢剪力墻，盡可能做到墻肢上、下對齊、連續(xù)，盡量避免洞口錯位，與連梁一起構成連續(xù)跨數(shù)較多的抗側力體系。
　　2．每道短肢剪力墻宜有兩個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。短肢剪力墻應該盡量在另一方向上設置翼緣，盡可能避免有一字形短肢剪力墻出現(xiàn)。結構布置上考慮縱橫墻的共同作用。
　　3．短肢剪力墻應設計成強墻柱弱連梁的體系。所謂強墻柱，是指墻柱可采用強度等級高的混凝土，加強墻柱配筋；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算更合理。
　　4．B級高度高層建筑及9度抗震設計的A級高度高層建筑，不能采用短肢剪力墻結構。
　　5．最大適用高度比高規(guī)表中剪力墻結構的規(guī)定值適當降低，且7度和8度抗震設計時分別不應大于100 m和60m。
　　
　　三、結構計算模型和軟件
　　
　　短肢剪力墻結構是適應建筑要求而形成的特殊的剪力墻結構。其計算模型同于普通剪力墻結構，將結構作為空間體系，梁和柱均采用空間桿單元，剪力墻單元模型。目前計算上可采用的三維空間分析軟件有開口薄壁計算模型，空間膜元，板殼單元模型以及墻組元模型。樓板假定有無限剛和彈性兩種。
　　 目前短肢剪力墻結構廣泛采用中國建筑科學研究院PKPM-CAD工程部的兩個計算軟件，TAT（多層及高層建筑結構三維分析與計算軟件）和SATWE（高層建筑結構空間有限及分析與設計軟件）。TAT用來計算一些結構體系較為規(guī)整的高層建筑物，其計算模型視墻為薄壁桿件；SATWE用來計算一些結構體系復雜、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是較實用的板殼單元模型，其特點是用每一節(jié)點六個自由度的殼元來模擬剪力墻單元。剪力墻既有平面內的剛度，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，這是一種接近實際情況的模型。結構設計時應針對建筑特點選擇合適的結構計算軟件。
　值得注意的是：軟件計算時并不是墻元劃分得越細越好。當墻元劃分過細時，由于單元有一定的厚度，當單元的長、寬與厚度之比接近時，就不能再作為墻單元計算。
　　
　　四、運用結構計算軟件容易忽視的問題
　　
　　新《抗震規(guī)范》和新《高規(guī)》已頒布實施，兩本規(guī)范中關于地震作用計算、結構內力調整等內容均有較大變動。結構設計人員應理解新規(guī)范中的條文內容并在電算過程中貫徹實施。
　　
　?。ㄒ唬┛傮w計算中總信息的輸入
　　1．對振型數(shù)量的要求。新《高規(guī)》第10章將帶轉換層的短肢剪力墻結構列為復雜高層建筑。第5.1.13條規(guī)定了計算地震作用時的最小振型數(shù)。實際上最根本的要求是要保證振型參與質量達到總質量的90%以上。振型數(shù)最好是3的倍數(shù)。振型數(shù)的大小與結構層數(shù)及結構形式有關，當結構層數(shù)較多或結構剛度突變較大時，振型數(shù)也應取大此。尤其對于高位轉換，由于轉換層的質量遠大于其他樓層，導致不同振型時地震作用在轉換層處突然增大，尤以轉換層位置在振型曲線振幅最大處或附近時更為顯著，因而轉換層在較高位置時，高振型的影響可能明顯增大，建議在計算分析時，取較多振型。
　　參考取值：帶轉換層的高層建筑：振型數(shù)巧或30；多塔樓結構: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耗能構件，連梁的剪切破壞會使結構的延性降低，對抗震不利，設計時應注念對連梁按“強剪弱彎”的延性要求進行計算。多、高層結構設計中允許連梁的剛度有所下降，程序中通過連梁剛度折減系數(shù)來反映開裂后的連梁剛度。但應注意短肢剪力墻結構中，墻肢剛度相對較小，連接各墻肢的梁已類似普通框架梁，而不同于一般剪力墻間的連梁，不應在計算的總體信息中將連梁的剛度大幅下調，使其設計內力降低，應按普通框架梁的要求，控制混凝上壓區(qū)高度，其梁端負彎矩鋼筋可由塑性調幅70%、80%來解決。