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【摘要】文章首先分析了高层建筑短肢剪力墙的设计和应用相关问题，其次就短肢剪力墙的抗震构造措施和结构设计中应注意的一些问题谈了一点自己的看法。
【关键词】高层建筑；短肢剪力墙；结构设计
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
引言
近年来兴起的短肢剪力墙结构有利于住宅建筑布置，在很大程度上克服了原来普通框架结构的露梁露柱、普通剪力墙结构对建筑空间的严格限定等弊病，满足了人们对住宅空间美观与灵活分隔的要求。同时，又可以进一步减轻结构自重，因此这种结构型式越来越多地应用于高层特别是小高层住宅建筑。但是由于这种新的结构抗震性能较差，地震区应用经验不多，为此新修订的《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）在明确高层建筑采用短肢剪力墙的前提下，对短肢剪力墙的适用范围作了限制，并提出了一系列加强措施。本文笔者就这方面的一些体会和理解谈谈自己的看法。
1短肢剪力墙的设计和应用
1.1短肢剪力墙的性能特点:
目前关于短肢剪力墙研究的文献很多,总体认为在中、小高层建筑结构中,联肢墙的单肢高厚比在5~8之间是一个刚度急剧变化的临界点,当单肢高厚比超过这个限值时,刚度和承载力会缓慢增长;当高厚比小于这个限值时,其承载力会急剧减小。从这一点来看,高规将短肢剪力墙的高厚比定义在5~8之间是合理的。
墙肢的高厚比小于5的小墙肢,难以形成联肢剪力墙,如果连梁刚度大就形成剪切变形为主的壁式框架,连梁刚度小容易形成抗侧刚度差的独立墙,甚至异形柱框架,抗震性能都不好。另一方面,对双肢短肢剪力墙在低周期反复水平荷载作用下,其破坏属弯剪形破坏,具有一定的耗能能力。
1.1短肢剪力墙布置原则
短肢剪力墙应结合建筑平面利用窗间墙和开间隔墙来布置,基本上不与建筑使用功能发生矛盾,墙的数量可多可少,肢长可长可短,主要视抗侧力的需要和高规规定的一些计算参数能否满足而定。还可通过墙肢的长短变化来调整刚度中心的位置,能灵活布置,可选择的方案也较多,楼盖方案简单,连接各墙的梁,随墙肢位置而设于间隔墙竖平面内,可隐蔽,不外漏,梁的截面可根据建筑立面的要求来布置,如根据建筑立面布置的梁不能满足一些参数的需要,还可通过调整梁的截面来调整参数的大小,直到满足为止。根据建筑平面的抗侧刚度的需要,利用中心剪力墙,形成主要的抗侧力构件,较易满足刚度和强度的要求,切记布置时高层建筑结构不应采用全部短肢剪力墙结构,剪力墙结构对于肢长与肢宽之比稍大于4的短肢剪力墙不应采用过高的轴压比,并宜按异形柱来布置,有的设计人员往往把异形柱按短肢剪力墙输入,有的甚至将异形柱框架结构全部按短肢剪力墙输入,这样势必造成计算误差,而且发现有些构造的计算误差会影响结构构件的安全。
1.2短肢剪力墙结构的计算
短肢剪力墙结构的计算,首先要选用合适的计算软件,合理地选择计算分析方法,确定计算模型和相关参数,并加强对计算结果合理性的判断,特别要加强概念设计。关键注意抗震设计时一般剪力墙(筒体)承受的第一震型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50%,对短肢剪力墙结构计算,因其是剪力墙大开口而成,所以,基本上与普通剪力墙结构分析相同,可采用三维杆系——薄壁柱空间分析方法,或空间杆——墙组元分析方法,。前者如建研院的TBSA、TAT,广东省建筑设计院的广厦CAD的SS模块,后者如建研院的TB-SSAP、SATWE,清华大学的TUS,广东省建筑设计院的SSW等。其中空间杆———墙组元分析方法的计算模型更符合实际,精度更高。
2短肢剪力墙的抗震构造措施
短肢剪力墙结构的抗震等级应按《高规JGJ3-2002》第4. 8. 2条规定的剪力的抗震等级提高一级采用,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、三级时分别不宜大于0. 5、0. 6、0. 7,对无翼缘或端柱的一字形短肢剪力墙,其轴压比限值相应降低0. 1,短肢墙之间的梁应根据跨高比的不同分别按连梁或框架梁计算内力和计算配筋(即一般情况下当短肢剪力墙洞口形成的跨高比小于5的连梁,应按连梁进行设计,当跨高比不小于5时,宜按框架梁进行设计),对于短肢剪力墙的剪力设计值,不仅底部加强部位应按规范调整,其它各层也要调整,一、二级抗震等级应分别乘以增大系数1. 4和1. 2,主要目的是避免短肢剪力墙过早剪切破坏,抗震设计时,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%。
3短肢剪力墙结构的设计注意事项
3.1 振动台模拟地震试验结果表明,建筑平面外边缘及角点处的墙肢,底部外围的小墙肢、连梁等是短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节,当有扭转效应,建筑平面外边缘及角点处的墙肢会首先开裂。在地震作用下,高层短肢剪力墙结构将以整体弯曲变形为主,底部外围的小墙肢截面积小且承受较大的竖向荷载,破坏严重,尤其“一”字形小墙肢破坏最严重;在短肢剪力墙结构中,由于墙肢刚度相对减小,使连梁受剪破坏的可能性增加,连梁的剪切破坏会使结构的延性降低,对抗震不利,设计时应注意,对连梁进行“强剪弱弯”的验算,保证连梁的受弯屈服先于剪切破坏,短肢剪力墙宜在两个方向均有梁与之拉结,连梁宜布置在各肢的平面内,避免用“一”字形小墙肢。
3.2 高层短肢剪力墙结构在水平力作用下,显现整体弯曲变形为主,底部外围小墙肢承受较大的竖向荷载和扭转剪力,由一些模型试验反映出外周围墙肢开裂,因而对外周边墙肢应加大厚度和配筋量,加强小墙肢的延性抗震性能。
3.3 主要抗侧力结构筒体(或长墙)一般利用楼电梯间,但要注意刚度的均衡性,不要集中在一处布置而使建筑产生过大的扭转效应,同时筒体要有足够的刚度,其平面尺寸不宜过小,要使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的50%,形成多道抗震防线,为了确保水平力可靠传递,核心区楼板适当加厚,与核心筒相连的连梁按强剪弱弯设计,短肢墙之间的连梁净跨不宜过小(一般取4~6m)使其具有一定的耗能作用。
3.4 短肢剪力墙结构中转换层的设置高度及框支柱,据研究表明,框支剪力墙结构当转换层位置较高时,转换层附近层间位移角及内力分布积聚突变,内力的传递仅靠转换层一层楼板的间接传力途径很难实现,转换层下部的框支结构易于开裂和屈服,转换层上部几层墙体易于破坏,这种结构体系不利于抗震、高裂度区(9度及9度以上)不应采用; 8度区可以采用,但应限制转换层设置高度,可考虑不易超过3层, 7度区可适当放宽限制,因此建议在6度抗震设防区,短肢剪力墙结构中,转换层设置高度不宜超过5层,避免高位转换。
结束语
总之，短肢剪力墙结构有着较大的市场需求,在设计中根据其受力的特点,充分了解其破坏的各种机理,选用合理的结构形式,截面配筋,才能达到安全、经济、合理的目的。
参考文献
[1]董海棉.高层建筑短肢剪力墙结构设计[J]. 甘肃科技. 2009(10)
[2]盧敏.浅谈短肢剪力墙结构体系及其应用[J]. 科技资讯. 2007(22)
[3]郭宁.短肢剪力墙结构的判定方法[J]. 华章. 2010(10)
【关键词】高层建筑；短肢剪力墙；结构设计
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
引言
近年来兴起的短肢剪力墙结构有利于住宅建筑布置，在很大程度上克服了原来普通框架结构的露梁露柱、普通剪力墙结构对建筑空间的严格限定等弊病，满足了人们对住宅空间美观与灵活分隔的要求。同时，又可以进一步减轻结构自重，因此这种结构型式越来越多地应用于高层特别是小高层住宅建筑。但是由于这种新的结构抗震性能较差，地震区应用经验不多，为此新修订的《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）在明确高层建筑采用短肢剪力墙的前提下，对短肢剪力墙的适用范围作了限制，并提出了一系列加强措施。本文笔者就这方面的一些体会和理解谈谈自己的看法。
1短肢剪力墙的设计和应用
1.1短肢剪力墙的性能特点:
目前关于短肢剪力墙研究的文献很多,总体认为在中、小高层建筑结构中,联肢墙的单肢高厚比在5~8之间是一个刚度急剧变化的临界点,当单肢高厚比超过这个限值时,刚度和承载力会缓慢增长;当高厚比小于这个限值时,其承载力会急剧减小。从这一点来看,高规将短肢剪力墙的高厚比定义在5~8之间是合理的。
墙肢的高厚比小于5的小墙肢,难以形成联肢剪力墙,如果连梁刚度大就形成剪切变形为主的壁式框架,连梁刚度小容易形成抗侧刚度差的独立墙,甚至异形柱框架,抗震性能都不好。另一方面,对双肢短肢剪力墙在低周期反复水平荷载作用下,其破坏属弯剪形破坏,具有一定的耗能能力。
1.1短肢剪力墙布置原则
短肢剪力墙应结合建筑平面利用窗间墙和开间隔墙来布置,基本上不与建筑使用功能发生矛盾,墙的数量可多可少,肢长可长可短,主要视抗侧力的需要和高规规定的一些计算参数能否满足而定。还可通过墙肢的长短变化来调整刚度中心的位置,能灵活布置,可选择的方案也较多,楼盖方案简单,连接各墙的梁,随墙肢位置而设于间隔墙竖平面内,可隐蔽,不外漏,梁的截面可根据建筑立面的要求来布置,如根据建筑立面布置的梁不能满足一些参数的需要,还可通过调整梁的截面来调整参数的大小,直到满足为止。根据建筑平面的抗侧刚度的需要,利用中心剪力墙,形成主要的抗侧力构件,较易满足刚度和强度的要求,切记布置时高层建筑结构不应采用全部短肢剪力墙结构,剪力墙结构对于肢长与肢宽之比稍大于4的短肢剪力墙不应采用过高的轴压比,并宜按异形柱来布置,有的设计人员往往把异形柱按短肢剪力墙输入,有的甚至将异形柱框架结构全部按短肢剪力墙输入,这样势必造成计算误差,而且发现有些构造的计算误差会影响结构构件的安全。
1.2短肢剪力墙结构的计算
短肢剪力墙结构的计算,首先要选用合适的计算软件,合理地选择计算分析方法,确定计算模型和相关参数,并加强对计算结果合理性的判断,特别要加强概念设计。关键注意抗震设计时一般剪力墙(筒体)承受的第一震型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50%,对短肢剪力墙结构计算,因其是剪力墙大开口而成,所以,基本上与普通剪力墙结构分析相同,可采用三维杆系——薄壁柱空间分析方法,或空间杆——墙组元分析方法,。前者如建研院的TBSA、TAT,广东省建筑设计院的广厦CAD的SS模块,后者如建研院的TB-SSAP、SATWE,清华大学的TUS,广东省建筑设计院的SSW等。其中空间杆———墙组元分析方法的计算模型更符合实际,精度更高。
2短肢剪力墙的抗震构造措施
短肢剪力墙结构的抗震等级应按《高规JGJ3-2002》第4. 8. 2条规定的剪力的抗震等级提高一级采用,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、三级时分别不宜大于0. 5、0. 6、0. 7,对无翼缘或端柱的一字形短肢剪力墙,其轴压比限值相应降低0. 1,短肢墙之间的梁应根据跨高比的不同分别按连梁或框架梁计算内力和计算配筋(即一般情况下当短肢剪力墙洞口形成的跨高比小于5的连梁,应按连梁进行设计,当跨高比不小于5时,宜按框架梁进行设计),对于短肢剪力墙的剪力设计值,不仅底部加强部位应按规范调整,其它各层也要调整,一、二级抗震等级应分别乘以增大系数1. 4和1. 2,主要目的是避免短肢剪力墙过早剪切破坏,抗震设计时,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%。
3短肢剪力墙结构的设计注意事项
3.1 振动台模拟地震试验结果表明,建筑平面外边缘及角点处的墙肢,底部外围的小墙肢、连梁等是短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节,当有扭转效应,建筑平面外边缘及角点处的墙肢会首先开裂。在地震作用下,高层短肢剪力墙结构将以整体弯曲变形为主,底部外围的小墙肢截面积小且承受较大的竖向荷载,破坏严重,尤其“一”字形小墙肢破坏最严重;在短肢剪力墙结构中,由于墙肢刚度相对减小,使连梁受剪破坏的可能性增加,连梁的剪切破坏会使结构的延性降低,对抗震不利,设计时应注意,对连梁进行“强剪弱弯”的验算,保证连梁的受弯屈服先于剪切破坏,短肢剪力墙宜在两个方向均有梁与之拉结,连梁宜布置在各肢的平面内,避免用“一”字形小墙肢。
3.2 高层短肢剪力墙结构在水平力作用下,显现整体弯曲变形为主,底部外围小墙肢承受较大的竖向荷载和扭转剪力,由一些模型试验反映出外周围墙肢开裂,因而对外周边墙肢应加大厚度和配筋量,加强小墙肢的延性抗震性能。
3.3 主要抗侧力结构筒体(或长墙)一般利用楼电梯间,但要注意刚度的均衡性,不要集中在一处布置而使建筑产生过大的扭转效应,同时筒体要有足够的刚度,其平面尺寸不宜过小,要使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的50%,形成多道抗震防线,为了确保水平力可靠传递,核心区楼板适当加厚,与核心筒相连的连梁按强剪弱弯设计,短肢墙之间的连梁净跨不宜过小(一般取4~6m)使其具有一定的耗能作用。
3.4 短肢剪力墙结构中转换层的设置高度及框支柱,据研究表明,框支剪力墙结构当转换层位置较高时,转换层附近层间位移角及内力分布积聚突变,内力的传递仅靠转换层一层楼板的间接传力途径很难实现,转换层下部的框支结构易于开裂和屈服,转换层上部几层墙体易于破坏,这种结构体系不利于抗震、高裂度区(9度及9度以上)不应采用; 8度区可以采用,但应限制转换层设置高度,可考虑不易超过3层, 7度区可适当放宽限制,因此建议在6度抗震设防区,短肢剪力墙结构中,转换层设置高度不宜超过5层,避免高位转换。
结束语
总之，短肢剪力墙结构有着较大的市场需求,在设计中根据其受力的特点,充分了解其破坏的各种机理,选用合理的结构形式,截面配筋,才能达到安全、经济、合理的目的。
参考文献
[1]董海棉.高层建筑短肢剪力墙结构设计[J]. 甘肃科技. 2009(10)
[2]盧敏.浅谈短肢剪力墙结构体系及其应用[J]. 科技资讯. 2007(22)
[3]郭宁.短肢剪力墙结构的判定方法[J]. 华章. 2010(10)