某住宅楼工程短肢剪力墙的结构设计

摘要：短肢剪力墙结构是介于框架一剪力墙结构和一般剪力墙结构之间的一种结构形式，其抗震薄弱环节是建筑平面外边缘及角点处的墙肢、“一字形”短肢剪力墙及连梁。文章以桌住宅楼工程为例探讨了短肢剪力墙的结构设计。

关键词：短肢剪力墙；结构设计；结构刚度；概念设计

中图分类号：TU746文献标识码：A文章编号：1009－2374(2009)12－0149－03

近年来，随着经济发展和生活水平的提高，人们对住宅，特别是高层住宅平面与空间的要求也越来越高。若采用框架结构，往往因柱楞突出隔墙，妨碍美观，影响使用效果。若采用一般剪力墙结构，虽无柱体外凸的缺点，但对于底部有停车场等公共设施的情况则矛盾很大，满足不了建筑的使用功能。而且，对于房屋高度不太大的小高层建筑，采用剪力墙结构会造成刚度过大，重量增加，导致地震反应过强，使得上部结构和基础造价提高。所以说，对于小高层建筑，一般剪力墙结构体系也不是一种理想的设计方案。为了避免上述缺陷，以一般剪力墙结构为基础，吸取框架结构的优点，使结构刚度调整到适宜，由此形成了一种结构体系——“短肢”剪力墙结构体系。短肢剪力墙结构是指墙肢截面高度为厚度5～8倍的剪力墙结构，常用的有“T”字型、“L”型、“十”字型及少量的“一”字型。和一般剪力墙相比，这种结构型式的优点在于：

1墙肢较短，布置灵活，可调整性大，容易满足建筑平面的要求。

2减少了剪力墙而代之以轻质砌体，结构自重相应减轻，从而减小结构整体刚度，增大振动周期，降低地震作用力。

3墙肢高宽比较大，延性较好，对抗震有利。

4连梁跨高比较大，以受弯破坏为主，地震作用下首先在弱连梁两端出现塑性铰，能起到很好的耗能作用。

5墙肢的承载力得到了较充分的发挥。

目前，《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002已对短肢剪力墙结构的设计作出了规定。现以某小区一栋小高层住宅为例，介绍一下短肢剪力墙结构的设计情况。

一、工程概况

某工程3#楼，是1栋小高层带电梯的住宅楼，总建筑面积约1.02万m²，房屋总高度31.8m。主楼共10层，平面尺寸为45.6m×22m，其中架空层一层，层高4.8m，作车库使用；地上9层为住宅标准层，层高3m；局部突出屋面部分为电梯机房。裙楼为外扩地下室，也作车库使用，平面尺寸为45.6m×18m，层高3.3m，顶板面比主楼1层楼面低1.5m。

本工程建筑结构的安全等级为二级，抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，地面粗糙度为B类，基本风压值取0.35kN/m²，场地土类别为Ⅱ类，属抗震有利地段。

二、上部结构体系

本工程的平面体型较为复杂，住宅层结构平面Y向一侧凹进的尺寸为10.8m，为Y向总尺寸的49.1％，大于30％，按《建筑抗震设计规范》GB50011-2001第3.4.2条，属平面不规则类型。加上主、裙楼高差较大，地下室外扩部分面积也较大，故本工程设置了两道防震缝，将上部结构划分为三个较规则的抗侧力结构单元，即主楼为两个结构单元(完全相同)，裙楼为1个结构单元。其中，主楼结构单元局部高差较大部分采用后浇带处理。

由于业主要求承重构件不能突出墙面，且架空层要尽量满足停车位的需要，根据房屋高度，决定主楼采用短肢剪力墙结构。主楼10层，属于高层建筑，剪力墙抗震等级按JG]3-2002第4.8.2条应定为四级，但由于是短肢剪力墙，根据JGJ3-2002第7.1.2条，决定按三级进行设计。裙楼采用框架结构，框架抗震等级为四级。

三、主楼上部结构抗震计算结果分析

(一)主要结构构件

剪力墙截面厚度同相邻砌体填充墙厚度：四周外墙肢肢厚240mm，内墙肢肢厚200mm；但无端柱的一字形短墙肢除外：底层肢厚300mm，其余肢厚240mm。剪力墙砼强度等级2层以下为C35，3层以上为C25梁、板的砼强度等级均为C25。主要连梁的尺寸多为240×500mm，核心筒处楼板的厚度为200mm，顶层楼板厚度为120mm。

有别于肢长肢厚比不大于4.0的异形柱，短肢剪力墙的肢长肢厚比按规范要求控制在5～8范围内，一般剪力墙的肢长肢厚比均大于8。值得注意的是，对肢长肢厚比为4～5范围内的墙肢，目前规范尚无明确条文规定其构件类型，故设计时建议不要采用。

(二)计算结果分析

从构件力学特性上来说，短肢剪力墙的肢长与肢厚比≥5.0，更接近于剪力墙，故计算时将短肢剪力墙作为剪力墙而不是柱考虑应更合理。因此，结构整体计算采用中国建筑科学研究院开发的SATWE程序(2003年版)进行。SATWE采用的是在每个节点有六个自由度的壳元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙，墙元不仅具有平面内刚度也具有平面外刚度，可以较好地模拟工程中剪力墙的真实受力状态，计算结果较精确；同时，对楼板SATWE可以考虑其弹性变形。

虽然主楼结构平面较规则，立面也无刚度突变现象，但由于刚度较大的电梯井处筒体有点偏置，会产生扭转的影响，为了计算准确，地震作用计算考虑了结构的扭转耦联和5％偶然偏心的影响，取了9个振型计算。

1自振周期的控制。考虑扭转耦联时的自振周期(计算时自振周期折减系数取0.8)如表1所示。从表1可得，结构扭转为主的第一自振周期T3=0.7233s，平动为主的第一自振周期Tl=1.0532s，T3／T1=0.687<0.9，满足JGJ3-2002第4.3.5条的规定。

2结构位移的控制。最大层间位移角(应≤1／1000)、最大水平位移与层平均位移的比值(不宜大于1.2，不应大于1.5)及最大层间位移与平均层间位移的比值(不宜大于1.2，不应大于1.5)见表2，从中可以看出结构在风荷载和地震作用下的位移均能很好地满足规范限值。

3楼层最小地震剪力的控制。GB50011-2001及JGJ3-2002规范中，均没有对6度设防烈度区的楼层最小地震剪力系数值作限制，故本工程不予考虑。

4短肢剪力墙与一般剪力墙刚度比的控制。短肢剪力墙及一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩见表3。由表中数据可见，本工程一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩小于结构总底部地震倾覆力矩的50％，满足JGJ3-2002规范第7.1.2条的规定。

四、结构设计的主要技术措施

(一)短肢剪力墙设计

为了保证结构有足够的抗侧刚度，设计中将电梯井道与楼梯间的剪力墙形成本结构的核心筒，其余剪力墙采用短肢剪力墙通过连梁连接，形成了具有一定抗侧力的短肢剪力墙

结构体系。根据短肢剪力墙结构的特点：地震作用下的抗扭能力较弱，因此，本工程设计中将一般剪力墙布置在建筑四角处，短墙肢尽量均匀对称布置，以减小水平力作用下的扭转效应，且短墙肢绝大多数在两个方向有连接，即截面型式多采用L、T型。少量短墙肢由于建筑需要采用了一字型，为了减少剪力墙平面外弯矩，设计时尽量不布置与之垂直相交的大跨度单侧楼面梁，避免不了的墙肢，尽量设端柱。短肢剪力墙的肢长肢厚比按规范要求控制在5～8范围内，并且保证每一段墙肢长度不小于1.2m。另外，对短肢剪力墙的轴压比均控制在0.6以内，短肢剪力墙截面的全部纵向钢筋的配筋率均大于1.2％。由于短肢剪力墙的肢长较短，故截面配筋型式参照异形柱(如图1所示)，纵向钢筋间距不大于200mm，箍筋肢距不大于300mm，箍筋间距100mm。

(二)连梁设计

本工程中，由于剪力墙数量较多，且比较分散，布置均匀，墙肢较短，各片剪力墙之间抗侧刚度相差不大，在水平力作用下，每片剪力墙受力较均匀因此，构成剪力墙壁的主要构件连梁无超筋现象。跨高比≥5的连梁按框架梁进行设计(顶层处按连梁的构造要求配筋)，其余连梁按JGJ3-2002中第7.2.26条的规定设计。为保证楼层处的梁连成一个整体，框架粱、连梁及暗梁设有一定数量的纵向钢筋拉通。

(三)楼板设计

由于核心筒处的楼板受到电梯井及楼梯开洞的削弱，使得核心筒上下两部分平面的连接较为薄弱，故与建筑专业协商，要求该部分楼板的连接宽度不小于5m，并在设计时加厚为200mm，配双层双向通长筋φ12@200。为加强建筑物的顶部约束，提高抗风、抗震能力，顶层楼板加厚为120mm。

五、短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节及概念设计

短肢剪力墙结构是介于框架一剪力墙结构和一般剪力墙结构之间的一种结构形式，其抗震薄弱环节是建筑平面外边缘及角点处的墙肢、“一字形”短肢剪力墙及连梁。当有扭转效应时，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，短肢剪力墙因截面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，连接短肢剪力墙间的连梁已类似普通框架梁，其受剪破坏的可能性增加。因此，在短肢剪力墙结构设计中，对这些薄弱环节，应加强概念设计和抗震构造措施。例如，短肢剪力墙在平面上分布要力求均匀，必要时可用一般剪力墙来调整刚度中心，使刚度中心尽量接近建筑物质心，以减小扭转效应；由于短肢剪力墙的抗侧移刚度相对较小，故设计时应尽量利用电梯、楼梯间来形成一个核心筒，确保结构有足够的刚度，共同抵抗水平力；核心筒作为主要抗侧力构件时，设计中应保证核心筒与其外围结构的连接区域可靠；短肢剪力墙的最小截面厚度要满足规范要求的200mm。适当增加建筑平面外边缘及角点处的墙肢厚度及长度，严格控制短肢剪力墙截面的轴压比不超过规范要求，并加强短肢剪力墙(尤其是底部)的配筋，以提高墙肢的抗扭刚度、承载力和延性；短肢剪力墙截面小，壁薄，平面外稳定性差，故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，避免采用“一字形”墙肢，否则应采取加大配筋、减小轴压比、设置端柱等加强措施；高层结构中连梁是—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，故连梁设计中应按“强剪弱弯”的原则进行，如对跨高比≥15的连梁应按框架梁进行设计，以保证连梁的受弯屈服先于剪切破坏。

六、结语

作为剪力墙结构体系的分支，短肢剪力墙结构由于结构布置方面的灵活性和可调整性，使其各项技术经济指标均较一般剪力墙结构理想，因而，在小高层住宅楼结构设计中已被广泛采用。设计短肢剪力墙结构时，应区别于一般剪力墙结构，多结合住宅特点，使结构刚柔适中，并运用抗震概念设计的原则，采取有效的抗震措施，注重细部设计，从而做到结构设计安全、经济、适用。

参考文献

[1]高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2002)[S]

[2]建筑抗震设计规范(GBS0011-2001)[s]

[3]中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部，高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE(墙元模型)，2003

作者简介：聂晓琴(1977-)，女，湖北武汉人，供职于湖南省建筑设计院珠海分院，研究方向：结构工程。