浅谈房屋剪力墙结构设计

来源 :城市建设理论研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:renbaoshouxian
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  摘要:由于钢筋混凝土剪力墙结构具有布置灵活,房间内无露梁、露柱,能给建筑带来较大的灵活空间的优点,近年来,越来越多的多、高层住宅采用剪力墙结构。有利于住宅建筑布置,又可进一步减轻结构自重,应用逐渐广泛。但是由于短肢剪力墙抗震性能较差,地震区应用经验不多,考虑高层住宅建筑的安全,其剪力墙不宜过少、墙肢不宜过短,可以对短肢剪力墙的应用范围应在设计中加以限制,并采取一些加强措施。本文主要围绕剪力墙结构的设计的相关问题进行了分析,重点对剪力墙的结构布置、剪力墙墙肢厚度、剪力墙中连梁设计进行探讨。
  关键词:剪力墙结构;结构设计;加强部位;
  Abstract: because of the reinforced concrete shear wall structure with flexible layout, the room without exposed beams, gel column, can give the building brings bigger flexible space advantage, in recent years, more and more many, high-rise residential building with shear wall structure. In favor of residential architecture, but also further reduces the weight of the structure, has been widely used. But due to the short limb shear wall seismic performance, seismic zone application experience is not much, considering the safety of high-rise residential buildings, the shear wall shear wall should not be too little, should not be too short, the application of short shearing force wall design should be in the range of restrictions, and take some strengthening measures. This paper focuses on the design for the shear wall structure of the related issues are analyzed, focusing on the structural layout of shear walls, shear wall thickness of shear walls, shear wall connecting beam design are discussed.
  Key words: shear wall structure; structure design; strengthen position;
  中图分类号:TB482.2文献标识码:A 文章编号:2095-2104(2012)
  
  剪力墙结构由于其抗侧刚度大、侧移小和抗震性能好等优点,集承重、抗风、抗震、围护与分隔为一体,经济合理地利用了结构材料,钢筋用量较省,节约投资等系列优点而广泛应用于现代建筑结构设计中,尤其是多、高層建筑。但在工程实际应用中,建筑空间由于受剪力墙最大间距限制,建筑平面及使用空间往往受到局限。而且在设计中,对剪力墙位置的具体布置、截面形状和尺寸等是否合理,相关的规范没有明确的规定,通常是由结构工程师根据概念和经验来设计的。因此,在剪力墙结构设计中许多问题值得探讨。
  一、剪力墙结构以及布置
  剪力墙结构是由剪力墙组成的承受竖向和水平作用的结构。剪力墙的结构类型有以下几种:框架--剪力墙结构,剪力墙结构,部分框支剪力墙结构,框架--核心筒结构,筒中筒结构,板柱--剪力墙结构。剪力墙结构按照开洞大小,可以分为整体墙、小开口整体墙、联肢剪力墙以及壁式框架。剪力墙的布置除应符合国家规范、规程中有关规定外,在本文中进一步对剪力墙的布置提出了一些要求,其中关于框架剪力墙和梁、墙布置等都属于本文着重阐述的内容。
  1.结构平面布置
  高层结构应具有良好的空间工作性能,剪力墙结构应设计成双向抗侧力体系,形成空间整体结构。结构两主轴方向均应布置剪力墙,并宜使两个方向的抗侧刚度接近,刚度中心与结构质量中心接近,避免产生扭转效应。严禁单向布置剪力墙。当某个方向由于条件限制而数量偏小时,在垂直方向的剪力墙上布置沿该方向的一定数量的翼缘,使与梁形成框架效应,可明显增加该向的抗侧刚度。
  2.竖向刚度均匀
  剪力墙布置对结构的抗侧刚度有很大影响,剪力墙沿高度不连续,将造成结构沿高度刚度突变,对抗震非常不利,所以应要求剪力墙自上到下连续布置,上应到顶,下应到底。为减轻结构自重和减少侧向刚度,允许沿高度均匀连续改变墙厚和混凝土强度等级,每次墙厚减少宜为50㎜~~100㎜,混凝土强度等级减少宜为5Mpa,以避免刚度突变。厚度改变和混凝土强度等级的改变宜错开楼层。
  3.墙肢高宽比
  剪力墙应设计成受弯曲破坏的延性结构,避免剪切脆性破坏及滑移破坏。剪力墙的高宽应比不应小于2。当墙的长度很长时,为了满足每个墙段高宽比大于2的要求,可通过开设洞口等措施,将长墙分成长度较小、较均匀的独立墙段,每个独立墙段可以是整体墙,也可以是联肢墙。
  4、剪力墙洞口的布置
  剪力墙洞口的布置,会极大地影响剪力墙的力学性能。 首先,规则开洞,洞口成列、成排布置,能形成明确的墙肢和连梁,应力分布比较规则,又与当前普遍应用程序的计算简图较为符合,设计结果安全可靠。同时宜避免使墙肢刚度相差悬殊的洞口设置;其次对于错洞剪力墙和叠合错洞墙,二者都是不规则开洞的剪力墙,其应力分布复杂,容易造成剪力墙的薄弱部位,常规计算无法获得其实际内力,构造比较复杂。其主要特点是洞口错开距离很小,甚至叠合,不仅墙肢不规则,洞口之间形成薄弱部位,叠合错洞墙比错洞口墙更为不利,设计时应尽量避免。
  5、剪力墙和加强部位
  抗震结构中出现塑性铰的部位应作为加强部位。而剪力墙顶层、楼电梯间墙等不宜作为加强部位,这样作的目的是对塑性铰部位可以有更明确的措施,与由于温度、收缩等需要的加强措施区别;剪力墙塑性铰出现后,剪力墙应具有足够的延性,剪力墙底部塑性铰出现都有一定范围,该范围内应当加强构造措施,提高其抗剪切破坏的能力;为安全起见,设计剪力墙时将加强部位范围适当扩大,抗震设计时,一般剪力墙结构底部加强部位的高度可取墙肢总高度的1/8和底部两层二者的较大值,当剪力墙高度超过150m时,为避免加强区太高,其底部加强部位的高度可取墙肢总高度的1/10。
  二、短肢剪力墙设计要求
  短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5~8的剪力墙,一般剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比大于8的剪力墙。当截面高度与厚度之比小于3时,应按柱计算(当形成异型柱时,则应按异型柱的要求设计,但高层建筑中不允许采用异型柱框架结构),至于剪力墙高度与厚度之比大于3又小于5的剪力墙,实际上也是短肢剪力墙,由于它们更弱,可以提出不宜采用小于5的墙肢,对这种小墙肢的轴压比应修予更严格的限制,因此即使采用短肢剪力墙,也要尽可能使墙肢截面高度与厚度之比大于5。
  近年兴起的短肢剪力墙结构,有利于住宅建筑布置,又可进一步减轻结构自重,应用逐渐广泛。但是由于短肢剪力墙抗震性能较差,地震区应用经验不多,考虑高层住宅建筑的安全,其剪力墙不宜过少、墙肢不宜过短,可以对短肢剪力墙的应用范围应在设计中加以限制,并采取一些加强措施。
  1、应用范围
  高层建筑结构不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构。设计时应注意:短肢剪力墙较多时,应布置筒体(或一般剪力墙),形成短肢剪力墙与筒体(或一般剪力墙)共同抵抗水平力的剪力墙结构;其次,具有较短肢剪力墙的墙的剪力墙结构最大适用高度应比规范中剪力墙结构的规定值适当降低,7度和8度抗震设计时分别不应大于100m和60m;第三,对于B级高度高层建筑和9度抗震设计的A级高度高层建筑,即使设置筒体,也不应采用具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构;第四,如果在剪力墙结构中,只有个别小墙肢,不属于这种短肢剪力墙与筒体共同工作的剪力墙结构。
  2、加强措施
  对于短肢剪力墙设计中应着重以下加强措施。为限制过多的剪力墙的数量,在抗震设计时,筒体和一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩50%;抗震设计时,短肢剪力墙的抗震等级应比规范中规定的剪力墙的抗震等级提高一级采用;目的是从构造上改善短肢剪力墙的延性;出于改善延性的考虑,抗震设计时,各层短肢剪力墙在重力荷载代表值作用下产生的轴力设计值的轴压比,抗震等级为一、二、三时分别不宜大于0.5、0.6和0.7(对一般剪力墙,三级抗震等级时轴压比未限制);对于无翼缘或端柱的一字形短肢剪力墙,其延性更为不利,因此轴压比限值要相应降低0.1; 对于短肢剪力墙的剪力设计值,不仅底部加强部位应调整,其他各层也要调整,一、二、级抗震等级应分别乘以增大系数1.4和1.2,目的是避免短肢剪力墻过早剪坏;短肢剪力墙截面的纵向钢筋的配筋率,底部加强部位不宜小于1.2%,其它部位不宜小于1.0%;对于短肢剪力墙截面最小厚度,无论抗震还是非抗震设计,其厚度都不应小于200㎜;对于非抗震设计,除要求建筑最大适用高度适当降低外,对墙肢厚度限制的目的是使墙肢不致过小。
  在剪力墙布置中洞口宜上下对齐使之受力明确,尽量避免出现错洞与叠合错洞的出现。在短肢剪力墙设计中应注意其肢长、加强部位、构造要求等要求。
  三、合理剪力墙结构方案
  1.在框支剪力墙的结构中,其上部的剪力墙结构一般采用短肢剪力墙的结构体系。其底部的大空间剪力墙结构体系是指框架支承的剪力墙和全落地剪力墙共同工作的体系,这样的结构体系一般在底层为店铺,而上层却是住宅或者是旅馆的建筑中常常采用。但是这种体系也有很大的缺点,即抗震性能不够好,这主要是由于上层的剪力墙结构抗侧刚度比较大,下层框架的剪力墙结构抗侧刚度比较小,结构刚度在竖向方向变化悬殊,甚至可达五到六倍左右,这使其结构在受水平力作用时,极易发生变形集中和应力集中,而在《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定,下层框架的刚度要大于上层框架刚度的百分之七十。在一般的实际工程设计时,为了达到相关要求,通常采用加大下层剪力墙厚度 ,提高框支层的刚度,降低上下层之间的刚度比,这样也就增加了相应的工程费用。
  2.在大于二十层的高层建筑上,最好是采用传统全现浇剪力墙体系。在层数很多高层建筑中,假如运用短肢剪力墙体系,这也就使其结构相对较柔,结构层间位移和顶点位移不一定真好满足标准,假如底部剪力系数偏低,那么剪力墙的结构也就趋于不安全。可是,在一些情况下采用传统全现浇剪力墙体系,其剪力墙的结构刚度计算值还有点偏大时,可以在较长的剪力墙墙肢开设结构洞口,或者是把窗台改成砖加以微调。
  3.对于层数相对较少的高层建筑,像二十层以下的建筑,一般都可用短肢剪力墙结构设计体系。小于二十层的建筑采用传统现浇剪力墙结构,各墙肢轴压比计算值往往较小,墙体配筋为构造配筋,墙体承载能力没有充分发挥,工程费用偏高。这时,可采用一种改进的短肢剪力墙结构,其具体做法是:利用位于建筑平面中部抗侧刚度很大的楼梯间或电梯间做为一个抵抗水平力的抗剪核心筒,这个核心筒由多片剪力墙组成,用以抵抗大部分由风荷载和地震作用引起的水平力。
  四、在全剪力墙结构中的连梁超筋问题
  在实际中,一般剪力墙数量相对较多,且相对分散,各个剪力墙之间抗侧刚度相差甚小,通常在水平力的作用下,每片剪力墙的受力是比较均匀,所以,构成剪力墙结构的主要构件的连梁超筋现象就相对比较少。假如出现连梁超筋现象时,可能是由下面原因引起的:连梁跨高比相对较小引起的;和连梁连接剪力墙的墙肢相对较长引起的;上下洞口没有准确对齐。
  解决连梁跨高比相对较小问题可以采用把窗台改成砖砌的方法,在连梁中间设一道贯穿缝或者是加大洞口高度和宽度的。解决连梁连接剪力墙的墙肢相对较长问题的方法是,在长墙肢中间开一个洞,让其成为连肢墙。解决上下洞口没有准确对齐问题方法是,让洞口对齐或者是计算时先简化对齐,随之,再在设计过程中间加强洞口的相应抗震构造措施。框架剪力墙的结构中,剪力墙的数量相对较少,可是大部分的水平力都是由剪力墙所承受的,连梁就极易造成超筋现象的出现。所以,在方案的初步设计阶段就必须要考虑将剪力墙分散,让其布置均匀,还要把剪力墙布置的较多且墙肢比较短。
  五、结束语
  本文主要通过探讨高层框架建筑的剪力墙结构设计主要控制点,并做了相应的结果分析。进一步认识高层建筑框架的剪力墙结构设计时相关的控制点。总而言之,对剪力墙的结构设计人员来说,要先对其功能有确切的了解,然后选取符合实际应用的结构,平面和立面的布置要尽可能规则,还有要有较好的抗风、抗震性能好的结构体系。使高层建筑的结构合理、安全、可靠;同时要降低造价,这也是今后设计发展的方向,还要根据具体实际状况和规范做相应加强措施。
  参考资料:
  [1]吕文、钱稼茹.基于位移延性剪力墙抗震设计《建筑结构学报》1999.3
  [2]袁端眼、虞焕新.《工程结构》同济大学出版社。
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