中小高层建筑中短肢剪力墙结构的设计

张建敏

中小高层建筑中短肢剪力墙结构的设计

张建敏

介绍了短肢剪力墙结构的特点、应用范围及布置原则,探讨了关于短肢剪力墙体系的判定方法,并阐述了短肢剪力墙结构的抗震要求及其一些设计要点,对工程设计有着重要的指导意义。

中小高层建筑结构,短肢剪力墙,结构设计

0 引言

近年来,由于住宅需求增加、土地供应紧张等原因,中小高层住宅逐渐受到开发商和住户的青睐。设计者为了满足人们对于住宅的空间结构和平面布局越来越高的要求,将短肢剪力墙结构广泛地应用于中小高层住宅建筑中。在结构布置时,利用楼梯间、电梯间、山墙和分户墙设置部分一般剪力墙,其余布置短肢剪力墙,这样的布置既能使大厅和卧室中没有凸出的梁和柱,又能通过调整墙体的位置,适应现代居住空间要求的大空间和灵活性,并且该结构体系能进一步减轻结构自重,降低基础及上部结构的造价。因此,如何对短肢剪力墙结构进行正确判断和合理设计,成为了目前备受关注的重点问题。

1 短肢剪力墙结构体系

短肢剪力墙是近年来在我国兴起的一种抗侧力构件,它既保留了异形柱不凸出墙面的特点,又克服了异形柱抗震性能不理想等缺点。我国的中小高层住宅建筑一般不超过 30层(高度在 100m以下),开间也不大(一般在 3.3m～4.5m之间),所以住宅建筑中剪力墙的竖向荷载和水平荷载都不太大,因此剪力墙墙肢的截面高度可以做的比较小,即所谓短肢剪力墙结构体系。我国 JGJ 3-2002高层建筑混凝土结构技术规程规定,短肢剪力墙是指墙肢截面的高度与厚度之比为5～8的剪力墙。通常短肢剪力墙墙肢的厚度为 200mm～250mm,长度为 1 000mm～2 000mm,在布置形式上常采用“T”字形、“L”形、“十”字形、“Z”字形、折线形、“一”字形等形式。

短肢剪力墙结构体系的特点：1)结合建筑平面利用间隔墙位置来布置竖向构件,基本上不与建筑使用功能产生冲突,底部能与商场等服务用房相结合。2)布置灵活,可选择的楼盖类型较多。3)剪力墙的间距大,构件受力明确,传递路线简洁。4)短肢墙的数量、位置和墙肢长度,主要依据结构抗侧力的大小而定。5)由于减少剪力墙的数量且局部以轻质墙体替代,建筑物的自重减轻,这样可以减小地震反应和降低工程造价。6)短肢高宽比增大,延性较好,其破坏以弯曲破坏类型为主。7)连梁跨高比较大,其破坏以弯曲破坏为主,地震作用下首先在连梁的端部出现塑性铰,能起到很好的耗能作用。

短肢剪力墙的应用范围为：1)B级高度高层建筑和 9度抗震设计的A级高度高层建筑,即使置筒体,也不能采用。2)其最大适用高度比《高层建筑混凝土结构技术规程》表 4.2.2-1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。

2 短肢剪力墙的布置原则

1)短肢剪力墙主要布置在房间间隔墙的交接处,墙肢的数量要根据具体的抗侧力要求进行确定,不能过多或过少,以免结构过刚或者过柔。2)短肢剪力墙应该尽量均匀布置,以保证建筑物的刚心和质心相一致,避免在地震中发生扭转。3)在结构布置上,要使短肢剪力墙尽量对齐拉直,使其形成成片的联肢抗侧力结构。4)当水平荷载较大时或者建筑物造型不规则时,应该在平面外各角点及边缘处布置短肢剪力墙来满足结构平面刚度的要求和加强结构的整体性。5)为了避免墙肢凸出各间隔墙表面,墙肢一般不宜过厚。

3 短肢剪力墙的判定方法

设计为短肢剪力墙的必要条件为：抗震设计时,短肢墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不大于结构总底部地震倾覆力矩的50%。

另外,设计者在进行设计时,可根据不同的设计阶段选用不同的判定方法来满足不同阶段的设计要求：1)在方案设计阶段,结构的主要任务是结构选型,包括竖向及抗侧力体系,楼屋面结构体系等。这时,当然应该采用复合面积法或截面面积法,在方案阶段大致判断是属于短肢剪力墙较多结构体系,目的是控制结构总高度和抗震等级等原则性问题。考虑到实际情况,截面一般没有确定,采用负荷面积法是最直观的方法。也就是说当由短肢剪力墙负荷的楼面面积与全部楼面面积之比超过 50%时,应定义为短肢剪力墙较多结构体系。2)在初步设计阶段和施工图阶段,此时截面基本确定,可采用截面面积法初步判断是否为短肢剪力墙结构,然后在详细计算时则应按短肢剪力墙承受的倾覆力矩可占结构底部总倾覆力矩的40%～50%时,认为是短肢剪力墙较多结构体系,目的是用于调整墙肢的布置和多少,确保构件安全。3)对于多层建筑,可适当放宽短肢剪力墙的负荷面积比例。即当由短肢剪力墙负荷的楼面面积与全部楼面面积之比超过 60%时,定义为剪力墙较多结构体系。

4 短肢剪力墙的抗震加强

由于短肢剪力墙抗震性能相对较差,在设计选用短肢剪力墙结构时,需加强概念设计,提高规范要求。对一些不利部位加强构造措施,在符合规范要求的情况下,短肢墙是较为可靠的。

在抗震设计时,规范要求：1)短肢剪力墙的抗震等级应比《高规》4.8.2规定的剪力墙的抗震等级提高一级采用,以从构造上改善短肢剪力墙的延性。2)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和 0.7;对于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。3)除底部加强部位应按《高规》7.2.10条调整剪力设计值外,其他各层短肢剪力墙的剪力设计值,一、二级抗震等级应分别乘以增大系数 1.4和 1.2。4)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%。5)短肢剪力墙截面厚度不应小于 200mm。6)7度和 8度抗震设计时,短肢剪力墙宜设置翼缘。“一”字形短肢剪力墙平面外不宜布置与之单侧相交的楼面梁。7)《高规》7.2.1条文规定了带有筒体和短肢剪力墙的剪力墙结构的混凝土强度等级不应低于C25。

5 设计有关短肢剪力墙结构时还应注意的一些问题

1)高层点(板)式住宅采用短肢抗震墙结构体系,只要抗侧力构件布局合理仍然是比较理想的一种结构体系,但在地震区,高层建筑中,剪力墙不宜过少,墙肢不宜过短,因此不应设计仅有短肢剪力墙的高层建筑,要求设置剪力墙筒体(或一般剪力墙),形成短肢剪力墙与筒体(一般剪力墙)共同抵抗水平力的结构。2)短肢墙的布置合理、对称、均匀,力求质量中心与刚度中心重合,短肢墙布置应以 T形、L形、]形、十形为主,这样可增加短肢墙抗扭和出平面外稳定。3)短肢剪力墙结构的抗震薄弱部位是建筑平面外边缘的角部处的墙肢,当有扭转效应时,会加剧已有的翘曲变形,使其墙肢首先开裂,因此应加强其抗震构造措施,如减小轴压比、增加纵筋和箍筋的配筋率。4)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,短肢墙之间的梁净跨不宜过小(一般取 4m～6 m),使其具有一定的耗能作用。5)各短肢墙应尽量对齐、拉直,使之与连梁一起构成较规则且连续均匀的抗侧力片。并且每道短肢墙宜有两个方向的梁与之连接。短肢墙的数量可多可少,肢长可长可短,主要视抗侧力的需要而定,还可以通过不同尺寸和布置调整刚度和刚度中心位置。6)短肢剪力墙—筒体(或一般剪力墙)结构体系,电算分析力学模型建议采用高层建筑结构空间有限元分析软件SATWE,短肢剪力墙结构体系考虑,各部位宜取两种力学模型分析结果的不利工况,短肢墙之间的梁应根据跨高比的不同分别按连梁、框架梁计算内力和配筋(即一般情况下,当短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),短肢墙仍属于剪力墙的范畴,配筋可采用一般剪力墙的计算方法,但是对于长宽比小于 3的短肢墙则必须按柱的方法进行设计。注意整体计算需考虑填充墙对建筑基本自振周期影响,折减系数可取 0.8～0.9。

6 结语

短肢剪力墙结构是一种性价比较高的结构体系。只要设计者能熟悉相关技术资料,根据其受力特点充分了解其破坏机理,选择适合的计算软件、分析方法、计算模型和相关参数,对计算结果合理性判断,保证结构的整体抗震性能,使整个结构具有必要的承载能力、刚度和延性,在符合规范要求的情况下,短肢剪力墙结构体系能够得到广泛的运用。随着设计技术的进一步提高,短肢剪力墙结构也将得到更加良好的发展。

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Design of short shear wall for sm all high-rise structures

ZHANG Jian-m in

This thesis introduces the characteristics,application scope,and layoutprinciples of shortshearwallstructure,discusses the identificationmethods about short shear wall system,and expounds seismic requirements and some design points of short shear wall,which has significant guidingmeaning for engineering design.

small high-rise structure,short shearwall,structure design

TU973.16

A

1009-6825(2011)09-0060-02

2010-12-08

张建敏(1981-),男,助理工程师,廊坊市天一建筑设计有限公司,河北廊坊 065000