高层建筑短肢剪力墙结构设计

颜 润

(安徽省建筑设计研究院有限责任公司，安徽 合肥 230022)

1 短肢剪力墙结构的布置原则及特点

(1)短肢剪力墙主要布置在房间间隔墙的交接处，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发生矛盾。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，主要视抗侧力的需要而定，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)在结构布置方面灵活性及可调整性大，可选择的方案较多，较易处理楼盖的支承，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。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要求。

2 短肢剪力墙结构的计算

SATWE软件不能自动判断短肢剪力墙结构，因此在短肢剪力墙较多时，可以暂时按“短肢剪力墙结构”进行试算，查看WV02Q.OUT输出的柱及短肢剪力墙倾覆弯矩百分比等数据，并根据短肢剪力墙负荷的楼面面积与全部楼面面积的比值进行判断。

高层建筑中经常遇到因功能要求底部楼层层高大于标准层的情况，为满足剪力墙的稳定性和承载力计算的要求，剪力墙墙体需加厚。理论上，底部剪力墙加厚对结构的稳定和承载力有利，但因剪力墙加厚对剪力墙结构及相应的抗震措施的改变会引起争议。当上部结构属于剪力墙体系，下部结构属于短肢剪力墙结构时，若从结构安全承载的层面出发，比较稳妥的做法是:上部结构按剪力墙结构计算与设计，下部结构按短肢剪力墙结构计算和设计，同时房屋的最大适用高度依短肢剪力墙结构层数的高度所占房屋的总高度的比例，乘以规范要求的20%所得数值作为高度降低的幅度进行控制。短肢剪力墙结构的抗侧力构件布置，宜使两个主要受力方向的刚度和承载力相近。如果X和Y方向中的一个界定为短肢剪力墙结构，另一方向界定为剪力墙结构，应两个方向按各自分析确定效应和配筋，即分别设定结构类型计算两次，各取相应的计算结果;或从严控制，即只要一个方向符合短肢剪力墙结构的条件，就按短肢剪力墙进行整体计算和配筋。

对于上部塔楼是短肢剪力墙结构，下部为框支转换短肢剪力墙结构时，应按短肢剪力墙结构和复杂高层各计算一次，因为这类结构同时符合两类特殊结构特征，而规范对这两类结构的要求各有侧重，需要调整和加强的内容各不相同。底部加强部位的框支剪力墙结构应按“复杂高层结构”的要求进行设计，上部非加强部位的短肢剪力墙应按“短肢剪力墙”的要求进行设计。

3 短肢剪力墙结构的抗震设计

建筑物角点处的墙肢、底部外围的小墙肢以及连梁等构件均是短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节，尤其是发生扭转时，建筑物外边缘和角点处的墙肢就会首先开裂。在地震作用下，对于层数较高的短肢剪力墙结构将主要发生弯曲变形，底部外围的小墙肢将破坏严重，特别是“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少，使连梁受剪破坏的可能性增加，因此设计中，对这些薄弱环节，更应当加强概念设计和抗震构造措施。短肢剪力墙结构在平面上分布要力求均匀，使建筑物的刚度中心和质心尽量接近，以减小扭转效应。适当的增加建筑平面外边缘及角点处的墙肢厚度，加强墙肢端部的暗柱配筋量，严格控制墙肢截面的轴压比，以提高墙肢的延性和承载力。高层建筑中连梁是一个耗能结构构件，连梁的剪切破坏将会使结构的延性降低，对抗震极其不利，在具体设计工作中应对连梁进行“强剪弱弯”的验算，短肢剪力墙结构中的短肢剪力墙宜在两个方向均有梁与之拉结，连梁宜布置在各墙肢的竖平面内，避免采用“一”字形短肢剪力墙，且短肢剪力墙配筋应当符合相应的规范要求。

4 短肢剪力墙结构设计应注意的问题

(1)严格控制短肢墙的轴压比，尤其是无翼缘或端柱的一字形短肢剪力墙。目前，根据国内外研究结果，在承受压弯作用的剪力墙中，当处于小偏压状态时，墙的延性较差。不仅如此，即使在大偏压状态下，若轴压比较大，混凝土受压区的边缘应力很高，如果混凝土没有约束或约束不够，可能混凝土先达到极限压应变，出现竖向裂缝，甚至压碎，使构件丧失变形能力和承载能力。因此，在设计时，应严格控制短肢墙的轴压比，以保证短肢墙的延性。

(2)应采取三维计算方法进行结构的动力特性分析和杆件内力计算。这时对于竖向构件又有薄壁杆模型与墙元模型，前者是一种简化模型，但精确度较低:后者是板元与膜元的组合，是一种高精度力学模型。

(3)由于短肢剪力墙结构相对于普通剪力墙结构其抗侧刚度相对较小，设计时宜布置适当数量的长墙，或利用电梯，楼梯间形成刚度较大的内筒，以避免设防烈度下结构产生大的变形，同时也形成两道抗震设防。

(4)各墙肢分布要尽量均匀，使其刚度中心与建筑物的形心尽量接近。抗震设计中，简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底部地震倾覆力矩的50%，必要时也可以通过增加长肢墙的方法调整刚度中心位置。

(5)短肢剪力墙结构体系的抗震薄弱环节是建筑外边缘及角点处的墙肢，特别是“一字形”短肢剪力墙，可出现先于与其相连的粱破坏的情况。如当高层短肢剪力墙结构有扭转效应时，会加剧已有的翘曲变形，使其墙肢首先开裂。因此，设计时应采取必要的措施，如对位于建筑外边缘及角点处的短肢剪力墙应减小轴压比，增大纵筋和箍筋的配筋率，加强小墙肢的延性抗震性能，避免形成孤立的“一”字形短肢剪力墙，以保证结构的安全性、实用性。

(6)要正确判定短肢剪力墙结构墙肢平面内梁的属性。《高层建筑混凝土结构技术规程》(JCJ5—2002)规定:剪力墙开洞形成的跨高比小于5的连梁应按连梁进行设计:当跨高比大于5时宜按框架梁进行设计。连梁的刚度变化，直接影响了结构的总体抗侧移刚度，合理地选择梁的截面和配筋，有利于提高结构的抗震性能。因此，小高层住宅短肢剪力墙结构在实际设计时，墙肢刚度可相对减小:连接各墙肢间的梁刚度不应折减。只有这样，才能使梁截面设计易于满足规范的要求，也是偏于安全的。

(7)小高层住宅在设计时，为避免连梁剪切破坏先于弯曲破坏，应满足强剪弱弯的要求:不宜采用窗下墙作为连梁，因为窗下墙高度很大，形成刚度很大的剪切块，不利于结构的抗震设计，所以，宜将连粱设计成为截面、刚度较小的弱连梁。

5 结束语

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。