论文部分内容阅读
【摘 要】结合工程实例，介绍高层住宅的计算短肢剪力墙适用性及墙肢的布置原则，探讨在结构设计中增大结构抗扭刚度减小扭转效应的方法，并作了计算的分析，提出主体结构抗扭的措施。
【关键词】短肢剪力墙；抗扭刚度
1. 工程概况
东胜锦华苑住宅小区某楼，总建筑面积4958m2，长25.2m，宽17.7m，高42m，地下一层，地上十三层，抗震设防烈度7度，设计地震分组第一组，设计基本地震加速度值为0.1g，本工程建筑抗震设防类别为乙类，建筑物安全等级为二级，场地土类别为二类，剪力墙抗震等级为三级。
2. 上部结构体系的选择
由建筑平面不难看出这是很典型的以竖向交通中心分隔墙的结构平面，即楼梯、电梯、竖向管道位于平面中部，组成一个基本完整的核心筒体，这种建筑形式在这几年的高层住宅设计中已广泛应用。对于这类建筑，可采用的结构体系有多种，但根据其平面特点，通常都利用中部的竖向交通区设置剪力墙，作为承受竖向荷载和抗侧力的主要部分，这一部分的结构布置与建筑平面一般没有明显的矛盾，往往都能实现，外围部位的竖向构件，视结构受力需要和建筑平面布置，形成剪力墙结构及隶属于剪力墙结构的短肢剪力墙结构。
2.1 框剪结构。由建筑平面可以看出，住宅的房间分隔不规则，柱网难以布置，若按规则框架要求设柱，则柱与隔墙错开，影响平面使用，因而采用框剪结构不合理，不选此方案。
2.2 剪力墙结构。剪力墙可以沿房间分隔布置，能与建筑平面较好的配合，而且剪力墙也可分隔墙，无柱外凸的缺点，应用于住宅十分恰当；从受力角度看，剪力墙侧向刚度大，与中间筒体相结合可以构成整体抗侧力很强的体系，但对于该项目可能刚度过大而且较大的地震力作用，相对其它混凝土结构其造价也较高，因而不予考虑此方案。
2.3 短肢剪力墙。
（1）短肢剪力墙是剪力墙结构体系的一个分支，结合建筑平面，利用间隔墙位置来布置竖向构件，基本不与建筑使用功能发生矛盾。短肢剪力墙较薄，一般不凸出间隔墙的表面，大大改善大截面矩形柱占用使用面积及其对使用的不便。
（2）墙的数量不多不少，墙肢可长可短，视结构受力需要而定。可通过调整短肢墙不同尺寸和布置以调整刚度大小及刚度中心的位置。
（3）能灵活布置，可选择的布置方案较多，较易处理支承楼盖的要求，楼盖可用肋形梁楼盖，亦可用大跨度平板楼盖。
（4）短肢墙间的连系梁位于间隔墙竖向平面内，属于隐蔽型。
（5）视建筑平面及抗侧力的需要，对中心竖向交通区可处理成筒体或同样做成短肢剪力墙。
（6）由于减少了剪力墙而代之以轻质砌体，可减轻房屋的总重量，加速施工速度，造价经济合理，深受开发商的欢迎。
通过以上分析，此工程采用了短肢剪力墙体系。
3. 短肢剪力墙的布置
在短肢剪力墙结构体系的设计中，根据建筑平面的布置及东胜市气候特点及《高规》剪力墙的截面尺寸满足的要求。初步定为底部加强部位外墙为250，上部为200，内墙为200。短肢剪力墙墙肢形式的适用和布置原则主要遵循了以下原则。
（1）短肢剪力墙墙肢的主要形式有“T”、“L”、“Z”、“+”、“-”，其中“-”型刚度和稳定性不好，尽量不宜采用。
（2）短肢墙的数量应当适中，满足竖向荷载和抗侧力需要即可。
（3）短肢墙应尽量均匀分布，使其形状和刚度对称，两个主轴方向布置协调，避免扭转带来的不利影响，使合力中心尽可能和刚度中心复合，减少偏心，而且这样布置也便于支撑楼盖。
（4）平面外边缘及角点处，特别是外凸部分，布置必要的短肢墙以加强其整体性和满足平面刚性的要求。
（5）各短肢墙应尽量对齐，拉直，使之与连梁一起构成较规整且连续跨数较多的抗侧力片。
（6）每道短肢墙都定义两个方向的梁与之连接，连梁尽可能布置在墙肢的竖向平面内，连梁宽度一般与墙肢厚度相同，但受力或构造需要时也可比墙肢略大或略小。
4. 设计中的抗扭分析
4.1 短肢剪力墙在布置以后，应用SATWE计算程序进行了多次的设计调整，在设计调整中，对扭转的控制进行分析规纳。
4.2 扭转不规则在平面不规则类别中占第一位，看平面图可知，此工程属于平面不规则布置，楼梯间位于平面左边，偏下。结构属于不对称结构。国内外历次大地震震害表明，平面不规则，质量与刚度偏心和扭转刚度太弱的结构。在地震中受到严重的破坏，国内一些振动台模型试验结果表明，扭转效应会导致结构的严重破坏。在高层建筑结构设计中，大多数结构的平面布置和竖向布置很难达到规范所要求的“规则”标准，此时结构人员必须对抗侧力结构布置进行优化调整，限制结构的平面扭转效应，使其满足有关的规范要求。下面是原方案与调整后方案一些计算结果（见表1）。
4.3 以上计算结果归纳如下：
（1）从力学基本概念可知，构件离质心越远，其抗扭刚度就越大，据此，墙肢布置作了调整，调整后的方案外围墙比原方案墙肢加长，里面的墙肢缩短。
（2）除了在建筑物外围布置抗侧力结构外，也可以削弱楼梯间，电梯间的刚度的方法调整结构，增加其抗扭刚度。使结构刚度达到均匀，分散的目的。本工程在原方案楼梯，电梯间墙肢厚度为200mm，基础上进行了调整，1～4层楼梯、电梯墙厚为200mm，5～11层为180mm，12～14层为160mm（满足高规要求，即抗震墙等级为三级的剪力墙的截面厚度，底部加强部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/20，且不小于160mm，其它部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/25，且不应小于160mm）。
（3）抗侧力结构应均匀、对称，分散的原则，尽可能使结构的质量中心与刚度中心接近。当楼层层间最大位移与层高之比不满足规范要求时，往往是结构的抗侧力构件布置不均匀引起的。原方案Y向外墙墙肢等长，新方案调整后左边墙肢短，右边墙肢加长，这样使结构的质量中心与刚度中心接近。
（4）通过以上计算调整分析，加强主体结构的外围剪力墙，适当减少内部剪力墙的刚度，减少主体结构质心与刚心偏心距，是调整主体结构抗扭刚度比较好的有效方法。
5. 结语
随着社会经济的不断发展，全国人民生活水平的不断提高，城市建设的发展也步入了快车道，高层建筑、超高层建筑也越来越多，在高层住宅建筑中采用短肢剪力墙结构体系已渐成趋势，它即经济、合理，又安全、实用。
参考文献
[1] 《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010.
[2] 《建筑抗震设计规范》GB50011-2010.
[3] 《混凝土结构设计规范》GB50010-2010.
【关键词】短肢剪力墙；抗扭刚度
1. 工程概况
东胜锦华苑住宅小区某楼，总建筑面积4958m2，长25.2m，宽17.7m，高42m，地下一层，地上十三层，抗震设防烈度7度，设计地震分组第一组，设计基本地震加速度值为0.1g，本工程建筑抗震设防类别为乙类，建筑物安全等级为二级，场地土类别为二类，剪力墙抗震等级为三级。
2. 上部结构体系的选择
由建筑平面不难看出这是很典型的以竖向交通中心分隔墙的结构平面，即楼梯、电梯、竖向管道位于平面中部，组成一个基本完整的核心筒体，这种建筑形式在这几年的高层住宅设计中已广泛应用。对于这类建筑，可采用的结构体系有多种，但根据其平面特点，通常都利用中部的竖向交通区设置剪力墙，作为承受竖向荷载和抗侧力的主要部分，这一部分的结构布置与建筑平面一般没有明显的矛盾，往往都能实现，外围部位的竖向构件，视结构受力需要和建筑平面布置，形成剪力墙结构及隶属于剪力墙结构的短肢剪力墙结构。
2.1 框剪结构。由建筑平面可以看出，住宅的房间分隔不规则，柱网难以布置，若按规则框架要求设柱，则柱与隔墙错开，影响平面使用，因而采用框剪结构不合理，不选此方案。
2.2 剪力墙结构。剪力墙可以沿房间分隔布置，能与建筑平面较好的配合，而且剪力墙也可分隔墙，无柱外凸的缺点，应用于住宅十分恰当；从受力角度看，剪力墙侧向刚度大，与中间筒体相结合可以构成整体抗侧力很强的体系，但对于该项目可能刚度过大而且较大的地震力作用，相对其它混凝土结构其造价也较高，因而不予考虑此方案。
2.3 短肢剪力墙。
（1）短肢剪力墙是剪力墙结构体系的一个分支，结合建筑平面，利用间隔墙位置来布置竖向构件，基本不与建筑使用功能发生矛盾。短肢剪力墙较薄，一般不凸出间隔墙的表面，大大改善大截面矩形柱占用使用面积及其对使用的不便。
（2）墙的数量不多不少，墙肢可长可短，视结构受力需要而定。可通过调整短肢墙不同尺寸和布置以调整刚度大小及刚度中心的位置。
（3）能灵活布置，可选择的布置方案较多，较易处理支承楼盖的要求，楼盖可用肋形梁楼盖，亦可用大跨度平板楼盖。
（4）短肢墙间的连系梁位于间隔墙竖向平面内，属于隐蔽型。
（5）视建筑平面及抗侧力的需要，对中心竖向交通区可处理成筒体或同样做成短肢剪力墙。
（6）由于减少了剪力墙而代之以轻质砌体，可减轻房屋的总重量，加速施工速度，造价经济合理，深受开发商的欢迎。
通过以上分析，此工程采用了短肢剪力墙体系。
3. 短肢剪力墙的布置
在短肢剪力墙结构体系的设计中，根据建筑平面的布置及东胜市气候特点及《高规》剪力墙的截面尺寸满足的要求。初步定为底部加强部位外墙为250，上部为200，内墙为200。短肢剪力墙墙肢形式的适用和布置原则主要遵循了以下原则。
（1）短肢剪力墙墙肢的主要形式有“T”、“L”、“Z”、“+”、“-”，其中“-”型刚度和稳定性不好，尽量不宜采用。
（2）短肢墙的数量应当适中，满足竖向荷载和抗侧力需要即可。
（3）短肢墙应尽量均匀分布，使其形状和刚度对称，两个主轴方向布置协调，避免扭转带来的不利影响，使合力中心尽可能和刚度中心复合，减少偏心，而且这样布置也便于支撑楼盖。
（4）平面外边缘及角点处，特别是外凸部分，布置必要的短肢墙以加强其整体性和满足平面刚性的要求。
（5）各短肢墙应尽量对齐，拉直，使之与连梁一起构成较规整且连续跨数较多的抗侧力片。
（6）每道短肢墙都定义两个方向的梁与之连接，连梁尽可能布置在墙肢的竖向平面内，连梁宽度一般与墙肢厚度相同，但受力或构造需要时也可比墙肢略大或略小。
4. 设计中的抗扭分析
4.1 短肢剪力墙在布置以后，应用SATWE计算程序进行了多次的设计调整，在设计调整中，对扭转的控制进行分析规纳。
4.2 扭转不规则在平面不规则类别中占第一位，看平面图可知，此工程属于平面不规则布置，楼梯间位于平面左边，偏下。结构属于不对称结构。国内外历次大地震震害表明，平面不规则，质量与刚度偏心和扭转刚度太弱的结构。在地震中受到严重的破坏，国内一些振动台模型试验结果表明，扭转效应会导致结构的严重破坏。在高层建筑结构设计中，大多数结构的平面布置和竖向布置很难达到规范所要求的“规则”标准，此时结构人员必须对抗侧力结构布置进行优化调整，限制结构的平面扭转效应，使其满足有关的规范要求。下面是原方案与调整后方案一些计算结果（见表1）。
4.3 以上计算结果归纳如下：
（1）从力学基本概念可知，构件离质心越远，其抗扭刚度就越大，据此，墙肢布置作了调整，调整后的方案外围墙比原方案墙肢加长，里面的墙肢缩短。
（2）除了在建筑物外围布置抗侧力结构外，也可以削弱楼梯间，电梯间的刚度的方法调整结构，增加其抗扭刚度。使结构刚度达到均匀，分散的目的。本工程在原方案楼梯，电梯间墙肢厚度为200mm，基础上进行了调整，1～4层楼梯、电梯墙厚为200mm，5～11层为180mm，12～14层为160mm（满足高规要求，即抗震墙等级为三级的剪力墙的截面厚度，底部加强部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/20，且不小于160mm，其它部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/25，且不应小于160mm）。
（3）抗侧力结构应均匀、对称，分散的原则，尽可能使结构的质量中心与刚度中心接近。当楼层层间最大位移与层高之比不满足规范要求时，往往是结构的抗侧力构件布置不均匀引起的。原方案Y向外墙墙肢等长，新方案调整后左边墙肢短，右边墙肢加长，这样使结构的质量中心与刚度中心接近。
（4）通过以上计算调整分析，加强主体结构的外围剪力墙，适当减少内部剪力墙的刚度，减少主体结构质心与刚心偏心距，是调整主体结构抗扭刚度比较好的有效方法。
5. 结语
随着社会经济的不断发展，全国人民生活水平的不断提高，城市建设的发展也步入了快车道，高层建筑、超高层建筑也越来越多，在高层住宅建筑中采用短肢剪力墙结构体系已渐成趋势，它即经济、合理，又安全、实用。
参考文献
[1] 《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010.
[2] 《建筑抗震设计规范》GB50011-2010.
[3] 《混凝土结构设计规范》GB50010-2010.