小高層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討

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　近幾年來，隨著房地產(chǎn)熱的興起，人們對(duì)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(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)合住宅建筑平面開間小、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，例如已建成宏泰大廈、御景花園等工程，都采用了這種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》也對(duì)該結(jié)構(gòu)形式給予了肯定。
　　
　　一、結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)
　　
　?。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(nèi)，避免框架結(jié)構(gòu)中梁柱突出墻面的問題。
　　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。
　　
　?。ǘM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，以此來彌補(bǔ)剪力墻體系延性的不足。
　　
　　二、結(jié)構(gòu)布置中需注意的問題
　　
　　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。
　　1．短肢剪力墻應(yīng)均勻布置，使墻的軸向應(yīng)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(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。
　　2．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。
　　3．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。
　　4．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)。
　　5．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100 m和60m。
　　
　　三、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，梁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-CAD工程部的兩個(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)自由度的殼元來模擬剪力墻單元。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^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。
　　
　　四、運(yùn)用結(jié)構(gòu)計(jì)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(shí)施，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)容均有較大變動(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)容并在電算過程中貫徹實(shí)施。
　　
　?。ㄒ唬┛傮w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5.1.13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)巧或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)注念對(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，程序中通過連梁剛度折減系數(shù)來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梁，而不同于一般剪力墻間的連梁，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%來解決。