淺析短肢剪力墻結(jié)構(gòu)在小高層建筑中的應(yīng)用
關(guān)鍵詞：建筑；短肢剪力墻結(jié)構(gòu)；布置；設(shè)計
隨著社會的發(fā)展，越來越多的住宅小區(qū)出現(xiàn)，人們對高層住宅平面與空間的要求也越來越高，原來普通框架結(jié)構(gòu)的露梁露柱、普通剪力墻結(jié)構(gòu)對建筑空間的嚴(yán)格限定與分隔已不能滿足人們對住宅空間的要求。于是，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)在原有剪力墻的基礎(chǔ)上，吸收了框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，在很大程度上克服了普通框架與普通剪力墻結(jié)構(gòu)的缺點，受到了建筑師的肯定，更得到了住戶與房開商的歡迎，逐步發(fā)展形成了能適應(yīng)人們新的住宅觀念的高層住宅結(jié)構(gòu)型式，在現(xiàn)代住宅建筑應(yīng)用中起到重要作用。
1短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的概況
�。�1）定義：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；
�。�2）必要條件：抗震設(shè)計時，短肢墻承受的第一振型底部地震傾覆矩小于結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩的50%；
（3）短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的下限：當(dāng)短肢墻較小時，如短肢墻承受的第一振型底部傾覆力矩不大于結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩的15%～40%，則可以按普通剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計。下限規(guī)范沒有規(guī)定，用戶可以靈活掌握。如果剪力墻結(jié)構(gòu)中，只有個別小墻肢，不應(yīng)看成短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，而應(yīng)作為一般剪力墻結(jié)構(gòu)處理。
�。�4）優(yōu)勢：減少了剪力墻而代之以輕質(zhì)砌體，結(jié)構(gòu)自重相應(yīng)減輕，從而減小結(jié)構(gòu)整體剛度，增大振動周期，降低地震作用力；墻肢較短，布置靈活，可調(diào)整性大，容易滿足建筑平面的要求；墻肢高寬比較大，延性較好，對抗震有利；連梁跨高比較大，以受彎破壞為主，地震作用下首先在弱連梁兩端出現(xiàn)塑性鉸，能起到很好的耗能作用。
2短肢剪力墻的布置
2.1布置原則
高層住宅一般不應(yīng)全部采用為短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)體系。應(yīng)根據(jù)建筑平面特點，利用中部由樓梯、電梯及管道井等形成的豎向交通區(qū)設(shè)置較多的剪力墻，組成一個較完整的筒體，是整個建筑受豎向荷載和抗側(cè)力的主要部份，外圍部份的豎向構(gòu)件根據(jù)受力的需要和建筑平面布置，在間隔墻交節(jié)處布置適量的短肢剪力墻，目前常用L形，T形，也有少量十形，Z形，一形。為了構(gòu)成整棟建筑的結(jié)構(gòu)體系，各墻肢間布置連系梁，把這些短肢墻以及核心筒連成一個整體。
短肢剪力墻布置應(yīng)遵循以下幾點原則：①為了避免扭轉(zhuǎn)帶來的不利影響，使合力中心盡可能和剛度中心重合，減小偏心距，平面布置上宜使結(jié)構(gòu)的平面形狀和剛度均對稱，兩個主軸方向的布置應(yīng)協(xié)調(diào)；②為了使墻肢與梁一起構(gòu)成較規(guī)整、多跨的抗側(cè)力體系，各墻肢應(yīng)盡量對齊；③豎向布置上，應(yīng)力求規(guī)則，均勻，避免有過大的外挑，內(nèi)收，以及樓層剛度沿豎向突變。④建筑平面的收進(jìn)和突出部分L/B≤1，且L/Bmax≤0.3。
2.2短肢墻體系的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)
如果結(jié)構(gòu)不對稱，在地震作用下除了發(fā)生平移振動外，還會發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動。引起扭轉(zhuǎn)振動的主要原因在于結(jié)構(gòu)的質(zhì)心和剛心不重合，質(zhì)心和剛心的偏離會引起樓層相對平移，還引起樓層的轉(zhuǎn)動，樓層扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的位移和平移產(chǎn)生的位移疊加，可使層間位移難以滿足要求，導(dǎo)致不利位置結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。結(jié)構(gòu)的質(zhì)心是地震慣性力合力作用點的位置，質(zhì)心就是重心，重心可用材料力學(xué)求重心的方法求出。結(jié)構(gòu)的剛心是結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件恢復(fù)力合力的作用點。因此，設(shè)計時可以通過調(diào)整短肢剪力墻的尺寸和布置來調(diào)整剛度大小和剛度中心的位置。
3設(shè)計時應(yīng)注意的問題
�。�1）結(jié)構(gòu)的動力特性分析和桿件內(nèi)力計算采取三維計算方法。這時對于豎向構(gòu)件又有墻元模型與薄壁桿模型，前者是板元與膜元的組合，是一種高精度力學(xué)模型；后者是一種簡化模型，但精確度較低。
�。�2）短肢剪力墻住宅結(jié)構(gòu)體系大多數(shù)是每層6～8戶，各住宅單元圍繞中部簡體呈環(huán)抱狀布置，整個結(jié)構(gòu)基本對稱，多為20～30層；當(dāng)受用地限制時，每層3～4戶，通常布置在簡體的三邊，層數(shù)多為12～20層。短肢墻結(jié)構(gòu)不宜做得太高。
（3）要嚴(yán)格控制短肢墻的軸壓比，尤其是無翼緣或端柱的一字形短肢剪力墻。據(jù)國內(nèi)外研究結(jié)果顯示，在承受壓彎作用的剪力墻中，當(dāng)處于小偏壓狀態(tài)時，墻的廷性較差。不僅如此，即使在大偏壓狀態(tài)下，若軸壓比較大，混凝土受壓區(qū)的邊緣應(yīng)力很高，如果混凝土沒有約束或約束不夠，可能混凝土先達(dá)到極限壓應(yīng)變，出現(xiàn)豎向裂縫，甚至壓碎，使構(gòu)件喪失變形能力和承載能力。因此規(guī)范引入剪力墻的變形能力要求，并從變形能力出發(fā)規(guī)定了軸壓比限值，同時提出了按混凝土壓應(yīng)變大小設(shè)置的約束邊緣構(gòu)件的設(shè)計方法，這是十分必要的，只有這樣才能保證短肢墻的延性。
（4）短肢墻截面形式不宜采用一字形，宜優(yōu)先采用L、T、十字形等，外墻轉(zhuǎn)角處不應(yīng)采用一字形；為了有利于保證墻、梁的有效斷面，同一構(gòu)件各方向墻肢的厚度應(yīng)盡可能相等，墻厚最好大于200mm。
�。�5）要正確判定短肢剪力墻結(jié)構(gòu)墻肢平面內(nèi)梁的屬性規(guī)程規(guī)定：按連梁進(jìn)行設(shè)計剪力墻開洞形成的跨高比小于5的連梁；按框架梁進(jìn)行設(shè)計剪力墻開洞形成的跨高比不小于5的連梁。設(shè)計時比較合理的辦法就是把短肢墻平面內(nèi)的梁按規(guī)范進(jìn)行分類設(shè)計，但在做抗震分析時，為了使梁截面設(shè)計易于滿足規(guī)范的要求，同時也為了安全考慮，不應(yīng)做連梁剛度的折減。
（6）短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系的抗震薄弱環(huán)節(jié)是建筑外邊緣及角點處的墻肢，特別是一字形短肢剪力墻，可出現(xiàn)先于與其相連的梁破壞的情況。因此，設(shè)計中，為了避免將一字形短肢剪力墻布置在建筑外邊緣及角點處，應(yīng)加強(qiáng)位于建筑外邊緣及角點處的短肢剪力墻的延性抗震構(gòu)造措施。
(7)應(yīng)按規(guī)定提高短肢墻結(jié)構(gòu)的抗震等級，以便提高其配筋量；短肢剪力墻結(jié)構(gòu)較柔，周期較長，為了加大地震力，增加安全儲備，應(yīng)適進(jìn)行周期折減。
4實例分析
4.1工程概況
某工程，總建筑面積為120000m2，框剪結(jié)構(gòu)，由多棟多層和9～15層小高層住宅組成。以地上9層小高層為例，標(biāo)準(zhǔn)1層結(jié)構(gòu)單元見圖1，層高3m，9層上有個躍層為第10層，局部突出屋面部分為電梯機(jī)房，建筑總高為27.6m，總面積為4337.18m2。本工程建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為二級，抗震設(shè)防類別為丙類，按6度設(shè)防，地面粗糙度為C類，場地土類別為II類。
4.2結(jié)構(gòu)方案布置
在本工程豎向布置中，力求規(guī)劃均勻，避免有過大的外挑、內(nèi)收，以及樓層剛度沿豎向突變，避免房屋發(fā)生扭轉(zhuǎn)，整個房屋的抗側(cè)剛度中心要靠近水平荷載合力的作用線；在結(jié)構(gòu)平面布置中，盡量使結(jié)構(gòu)平面形狀和剛度均勻?qū)ΨQ，短肢剪力墻雙向布置，盡量拉通、對直。
根據(jù)建筑的平面布置，在房間、樓梯間、電梯間的四角，采用Z形、L形、T形或異形的墻肢。為了防止地基與結(jié)構(gòu)形成共振或類共振,在設(shè)計過程中還應(yīng)注意同周期的關(guān)系,使結(jié)構(gòu)的第一自振周期避開場地土的卓越周期,這樣既保證結(jié)構(gòu)在風(fēng)和地震荷載作用下的變形控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，又能保證建筑物有相對合理的自振周期，做到結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)濟(jì)、合理且實用。
經(jīng)過多次調(diào)試分析，該工程得到4種結(jié)構(gòu)方案，結(jié)構(gòu)平面布置見圖2。剪力墻截面厚度同相鄰砌體填充墻厚度均為100mm。剪力墻、粱混凝土強(qiáng)度等均為C3O。板的混凝土強(qiáng)度等級均為C25，主要連梁的尺寸大都為200mmx400mm。標(biāo)準(zhǔn)居樓板厚度為120mm，頂層樓板厚度為150mm，別于肢長肢厚比小于4.0的異形柱，按規(guī)范要求，短肢剪力墻的肢長肢厚比控制在5～8范圍內(nèi)，一般剪力墻的肢長肢厚比均小于8。
由于原方案的剪力墻過多，使底部剪力過大，使結(jié)構(gòu)很不經(jīng)濟(jì)，同時布置了少量鋼筋混凝土柱子，使結(jié)構(gòu)不是很合理。故方案1在一般剪力墻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上去掉了構(gòu)造柱并減少了少量的剪力墻（見圖二2a）。
在方案1基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)臏p少一些剪力墻，從而使方案更經(jīng)濟(jì)。在調(diào)試過程中由于F軸剪力墻較少，從而使電梯問X方向的剪力墻承受過大的剪力造成超筋，故把電梯間X方向的剪力墻開洞口，使結(jié)構(gòu)X向的剛度減少（見圖2b）。
在方案2的基礎(chǔ)上改善了Y方向的剛度（方案3），使兩個方向的剛度相接近，使結(jié)構(gòu)更合理且均勻?qū)ΨQ(見圖2c)。
雖然在多層、高層住宅設(shè)計中剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量避免一字型，但由于該結(jié)構(gòu)的實際情況，在方案3的基礎(chǔ)上把Y向的一些T型剪力墻變成一字型，所以采用了部分一字型（見圖2d）。
備注：a（方案1）；b（方案2）；c（方案3）；d（方案4）
4.3短肢剪力墻結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性分析
為了與工程實際情況相符，假設(shè)混凝土的成本與混凝土的體積、鋼筋的成本與鋼筋的體積都成正比。在總造價上，暫不考慮樓板及樓板等工程的造價影響。鋼筋4200元/t，材料的單方造價混凝土為430元/m3，表1為方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)匯總，由表1知，方案4比一般剪力墻結(jié)構(gòu)在總造價上要節(jié)約17.8％，使材料得到了充擰的發(fā)揮。
結(jié)束語
隨著社會的發(fā)展，越來越多的住宅小區(qū)出現(xiàn)，新型墻體材料的不斷開發(fā)和應(yīng)用，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)在原有剪力墻的基礎(chǔ)上，吸收了框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，其在高層住宅中的應(yīng)用將有著廣闊的發(fā)展前景。
參考文獻(xiàn)：
[1]李安.淺談短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系設(shè)計[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2009，（22）.
[2]易在江.小高層住宅短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計分析與應(yīng)用探討[J].四川建材，2009，（5）.
[3]宋玉輝.小高層建筑短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].中外建筑，2009，（7）.
