小高层建筑中短肢剪力墙结构设计浅析

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摘要：本文笔者根据颁布的《抗震规范》和《高规》，介绍了短肢剪力墙结构的特点及结构布置，并对短肢剪力墙结构的计算分析和设计中应注意的问题进行了探讨，提出了与其相适应的结构计算方法和建议；
 　　关键词：短肢剪力墙；结构设计；计算分析
 　　
 　　一、前言
 　　
 　　近年来，随着人们对住宅，特别是小高层及多层住宅平面与空间的要求越来越高，原来普通框架结构的露柱露梁、普通剪力墙结构对建筑空间的严格限定与分隔已不能满足人们对住宅空间的要求。“短肢剪力墙结构”这种新的高层住宅结构体系由于克服了普通框架与普通剪力墙结构的缺点，有利于住宅建筑布置，结合住宅建筑平面开问小、进深小及层高低的特点，又可进一步减轻结构自重，逐渐得到了推广应用，并广泛受到建筑师和业主的欢迎。本文笔者根据颁布的《抗震规范》和《高规》，在工程实践中对该体系的结构布置要点及计算中需注意的一些问题进行了探讨。
 　　
 　　二、结构体系的优点
 　　
 　　(一)满足建筑功能的需要
 　　1、墙肢与填充墙等厚，连接各墙的梁位于隔墙竖向平面内，避免框架结构中梁柱突出墙面的问题。
 　　2、墙体采用轻质材料，符合墙体改革的方向。
 　　3、虽然短肢墙构件增加了施工难度，但扩大了使用面积。
 　　
 　　(二)满足结构设计的需要
 　　1、在小高层住宅中，与常用的框架——抗震墙体系相比，框架——抗震墙体系具有受力明确，计算简单等优点，但其柱子截面大，梁柱外露，影响美观和使用，在平面复杂多变的情况下结构布置体系难趋合理，结构分析计算困难。而短肢剪力墙体系，墙肢和梁可隐蔽，结构布置灵活。墙的数量和肢长根据抗侧力的需要而定，数量可多可少，肢长可长可短，还可通过不同的尺寸和布置以调整刚度和刚度中心的位置。
 　　2、在小高层住宅中，与常用的剪力墙体系相比，短肢剪力墙体系具有如下优点：
 　　1、充分利用墙肢的承载能力，避免传统剪力墙结构中墙体过长而通常为构造配筋的浪费。
 　　2、减轻结构自重，降低主体结构和基础造价，尤其对于地基承载力较低的地区经济效益显著。
 　　3、结构自振周期相对加大，弥补剪力墙体系抗侧刚度大，从而地震反应加大的缺点。
 　　4、主体结构中大多数墙肢呈受弯工作状态，从而保证墙体具有足够的延性：同时大多数连梁的跨高比大于2 5，保证整体刚度的同时降低连梁的自身刚度，避免连梁的剪切破坏，使连梁也具有足够的延性，以此来弥补剪力墙体系延性的不足。
 　　
 　　三、结构布置中需注意的问题
 　　
 　　短肢剪力墙结构抗震性能较差，故应加强抗震薄弱环节，注重概念设计，满足高规要求。
 　　(一)短肢剪力墙应均匀布置，使墙的轴向应力差别不宜过大。竖向布置短肢剪力墙，尽可能做到墙肢上、下对齐、连续，尽量避免洞口错位，与连梁一起构成连续跨数较多的抗侧力体系。
 　　(二)每道短肢剪力墙宜有两个方向的梁与之相连接，连梁尽可能布置在墙肢的竖向平面内。短肢剪力墙应该尽量在另一方向上设置翼缘，尽可能避免有一字形短肢剪力墙出现。结构布置上考虑纵横墙的共同作用。
 　　(三)短肢剪力墙应设计成强墙柱弱连梁的体系。所谓强墙柱，是指墙柱可采用强度等级高的混凝土，加强墙柱配筋：尽可能减少连梁高度，使分配的地震力不至于太大，也使短肢剪力墙体系计算更合理。
 　　(四)B级高度高层建筑及9度抗震设计的A级高度高层建筑，不能采用短肢剪力墙结构。
 　　(五)最大适用高度比高规表中剪力墙结构的规定值适当降低，且7度和8度抗震设计时分别不应大于100m和60m。

四、结构计算模型和软件
 　　
 　　短肢剪力墙结构是适应建筑要求而形成的特殊的剪力墙结构。其计算模型同于普通剪力墙结构，将结构作为空间体系，粱和柱均采用空间杆单元，剪力墙单元模型。目前计算上可采用的三维空间分析软件有开口薄壁计算模型，空间膜元，板壳单元模型以及墙组元模型。楼板假定有无限刚和弹性两种，
 　　目前短肢剪力墙结构广泛采用中国建筑科学研究院PKPM-CADI程部的两个计算软件，TAT(多层及高层建筑结构三维分析与计算软件)和SATWE(高层建筑结构空间有限及分析与设计软件)。TAT用来计算一些结构体系较为规整的高层建筑物，其计算模型视墙为薄壁杆件；SATWE用来计算一些结构体系复杂、规模大的高层或超高层建筑物，是基于壳元理论的考虑空间组合作用的有限元分析方法，减少模型化误差，精度高。SATWE是较实用的板壳单元模型，其特点是用每一节点六个自由度的壳无来模拟剪力墙单元。剪力墙既有平面内的刚度，又有平面外的刚度，楼板既可以按弹性考虑，也可以按刚性板考虑，这是一种接近实际情况的模型。结构设计时应针对建筑特点选择合适的结构计算软件。

    值得注意的是：软件计算时并不是墙元划分得越细越好。当墙元划分过细时，由于单元有一定的厚度，当单元的长、宽与厚度之比接近时，就不能再作为墙单元计算。
 　　
 　　五、运用结构计算软件容易忽视的问题
 　　
 　　新《抗震规范》和新《高规》已颁布实施多年，两本规范中关于地震作用计算、结构内力调整等内容较以前均有很大变动。结构设计人员应理解新规范中的条文内容并在电算过程中贯彻实施。
 　　
 　　(一)总体计算中总信息的输入
 　　1、对振型数量的要求。新《高规》第10章将带转换层的短肢剪力墙结构列为复杂高层建筑。第5.L.13条规定了计算地震作用时的最小振型数。实际上最根本的要求是要保证振型参与质量达到总质量的90％以上。振型数最好是3的倍数。振型数的大小与结构层数及结构形式有关，当结构层数较多或结构刚度突变较大时，振型数也应取大此。尤其对于高位转换，由于转换层的质量远大于其他楼层，导致不同振型时地震作用在转换层处突然增大，尤以转换层位置在振型曲线振幅最大处或附近时更为显著，因而转换层在较高位置时，高振型的影响可能明显增大，建议在计算分析时，取较多振型。
 　　参考取值：带转换层的高层建筑：振型数取30；多塔楼结构：振型数n x 9(n为塔楼数)。
 　　2、连梁的刚度折减。高层建筑中的连梁是一个耗能构件，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按“强剪弱弯”的延性要求进行计算。多、高层结构设计中允许连梁的刚度有所下降，程序中通过连梁刚度折减系数来反映开裂后的连梁刚度。但应注意短肢剪力墙结构中，墙肢刚度相对较小，连接各墙肢的梁已类似普通框架粱，而不同于一般剪力墙问的连梁，不应在计算的总体信息中将连梁的刚度大幅下调，使其设计内力降低，应按普通框架梁的要求，控制混凝上压区高度，其梁端负弯矩钢筋可由塑性调幅70％、80％来解决。
 　　3、短肢剪力墙的抗震构造。
 　　1　抗震设计时，短肢剪力墙的抗震等级应比高规第48.2条规定的剪力墙抗震等级提高一级；
 　　2　抗震设计时，底部加强层应按高规第7.2.10条调整剪力设计值，其他各层短肢剪力墙的剪力设计值，一级抗震等级应分别乘以增大系数1.4和1.2；短肢剪力墙截面厚度不应小于200 mm；抗震设计时，短肢剪力墙截面的全部纵向钢筋的配筋率，底部加强部位不宜小于1.2％。其他部位不宜小于1.0％：新“抗震规范”出现了约束边缘构件这个概念，对抗震等级为二级及以上的短肢剪力墙，由于墙肢长度较短，约束边缘构件沿墙肢两个方向近于整段墙肢，为了加强墒肢抗震性能，可以把整段墙肢作为约束边缘构件考虑。
 　　(二)程序输入和输出时应注意的问题
 　　1、转换层所在层号、框支梁、框支柱、角柱的指定。框支梁、框支柱、角柱是带转换层的复杂高层建筑抗震设计时需特别加强的构件。《抗震规范》和《高规》按“强剪弱弯”的原则，对其抗震等级和组合设计内力值进行调整，并采取相应的结构构造措施。因此，程序输入过程中正确指定转换层所在层号、框支梁、框支柱和角柱，对计算结果的合理输出是相当重要的。也是设计人员容易忽视的问题。
 　　2、框支剪力墙的下端节点一定要落在框支梁上。