浅议短肢剪力墙结构设计

郭　昱（阜阳市建筑设计研究院，安徽省阜阳市236000）

浅议短肢剪力墙结构设计

郭昱（阜阳市建筑设计研究院，安徽省阜阳市236000）

随着社会的发展，城市的建设多以高楼大厦为主，同时在农村多层建筑也是很受人们的喜爱，与此同时，人们对多层、小高层住宅的要求也随着升高，普通框架结构和普通剪力墙结构已经不能满足人们的需要，本文就短肢剪力墙结构设计展开简要论述，以期对我国城市建筑行业提供微薄之力。

短肢剪力墙；结构设计；计算分析

前言

现如今，随着人们对多层、小高层住宅要求的升高，普通框架结构露梁露柱严重，普通剪力墙结构空间划分的严格限制，已经越来越不能满足人们的需求。然后，结合普通框架结构和普通剪力墙结构的优点，形成了短肢剪力墙结构。短肢剪力墙结构克服了平常框架和普通剪力墙结构的缺陷，满足了施工人员空间分割的限制和房间布置的要求，又可以减少剪力墙数量替代以轻质隔墙减轻自重，同时使得结构刚度减弱，该结构有良好的抗震效果，得到了业主和工程设计人员的肯定，并已逐步推广。

1　短肢剪力墙结构体系简介

短肢剪力墙主要是安排在房间隔墙的各个交点。根据结构抗侧力和隔墙相交的形式布置适当数量的短腿剪力墙，并在各墙肢处布置连系梁，以此把这些墙连成一个整体的结构体系，没有布置剪力墙的间隔部分则炫耀用轻质砌体来填补。短肢剪力墙结构体系具有以下特点：

（1）竖向构件的布置可与建筑平面相结合，并将其布置在隔墙位置处。如中心垂直交通区可以将其变成筒体或短肢剪力墙，基本与建筑的使用不相矛盾，在底部可以与市场服务用房屋相结合。

（2）墙的多少和墙肢长短主要视抗侧力的需要而定，灵活的布局，也可以通过不同的大小和布置来调整刚度和刚心所在的地方。有很多的选择方案。

（3）连结各墙的梁，亦随墙肢位置而位于间隔墙竖平面内，属于隐蔽型的。

（4）采用轻质砌块代替剪力墙，可以降低房屋的总重量，加快施工速度，若发生地震该结构能有效的减轻地震所在来的损害。

（5）墙肢高宽比较大，延性也比较好，在进行拆除时主要使用弯曲破坏的方法。连梁跨高比较大，发生地震时，首先在弱连梁两端出现塑性铰，耗能作用很好。

2　结构计算模型和软件

关于短肢剪力墙结构设计计算，由于剪力墙是大开口，所以，计算模型与普通剪力墙结构相同，将结构作为空间体系，梁和柱均采用空间单元，以及剪力墙空间模型。现如今，我国短肢剪力墙结构常使用中国建筑科学研究院PKPM-CAD两个计算软件，分别是：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的计算原理是利用三维空间，对剪力墙采用薄壁柱单元计算的方式，在计算梁柱方面，则是使用空间杆系的计算原理；SATWE SATWE基于壳元理论构建了一个通用的超单元墙元为模拟剪力墙，它不仅具有平面内刚度，也具有平面外刚度，可以较好地模拟应力剪力墙。剪力墙既有面内刚度，又有外平面刚度，地板不仅可以根据弹性考虑，也可以根据刚性板考虑，这是一种接近实际情况的模型。在进行结构设计时，应针对建筑实际来选择合适的结构计算软件。

3　短肢剪力墙结构设计应注意的问题

（1）根据国内外相关研究成果，当剪力墙被压弯时，在小偏心条件下延性较差；在大偏心条件下，轴压非常大时，如果混凝土没有约束或约束不够，有可能混凝土和钢筋首先受到损坏。因此，为了保证结构的延性，应严格控制短肢剪力墙的轴压比；

（2）应采取的三维计算方法进行结构动力特性分析和构件内力计算。使用壳元模型时应应加细单元的划分，有时短肢剪力墙结构采用薄壁杆元（TAT）可能是比较合适的。由于短肢剪力墙模型符合薄壁杆件单元的模型，采用壳元就会有单元划分不够细的问题出现；

（3）短肢剪力墙结构应布置一定数量的筒体或普通剪力墙，以形成共同抵抗水平力的剪力墙结构，可以避免设防烈度下结构产生大的变形在大变形下的设防烈度结构，也可形成两个抗震设防；

（4）短肢剪力墙应均匀布置，墙体的轴向应力不能有太大差异。竖向布置短肢剪力墙，尽可能做到墙肢上部和下部对齐、连续，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，短肢剪力墙底部的地震倾覆力矩不应超过底部倾覆力矩的50%，否则应调整设计，可以增加长肢调整的刚度中心位置，使刚度中心位置与形心接近；

（5）关于短肢剪力墙结构地震的脆弱环节，如建筑物的外边缘和角点处的墙肢，应降低轴压比，增加纵筋和箍筋配筋率，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，以此保证结构和实用性安全；

（6）短肢墙的连梁不能太强，连梁刚度应设计成部分的弱连梁，为了满足强剪弱弯的要求。对跨高比小于5的连梁按连梁设计，在设计时，可适当减小墙肢的刚度，而对于连接各墙肢的刚度不能减少。

4　短肢剪力墙结构的受力性能与设计要点

4.1受力性能

剪力墙根据整体性系数α及墙肢沿高度上弯矩的变化，可分为下面三种类型：

（1）满足α≥10，ζ≤［ζ］时，是整体小开口墙，墙孔面积小，抗侧刚度大，整体性强，墙体界面变形近似符合平截面假定，体截面变形近似符合平截面假定，若发生变形基本是弯曲变形。

（2）满足α＜10，ζ≤［ζ］时，为连肢墙，墙体沿竖向开有一系列较大洞口，整体性不是很强，剪力墙截面变形不再符合平截面假定，墙肢基本不出现反弯点，若发生变形基本是弯曲变形。

（3）满足α≥10，ζ＞［ζ］时，墙孔面积较大，墙肢和连梁形成框架梁柱。结构的梁、柱刚度比大，整体性很强，墙肢大多出现反弯点，按壁式框架考虑。其中，α为剪力墙的整体性系数，表示连梁与墙肢抗弯刚度的比值，α越大，表面连梁对墙肢的约束越小，结构整体性越好。

为了使短肢剪力墙结构的墙体的受力性能和变形性能优于异形柱，尽可能不将短肢剪力墙框架设计成壁式框架。考虑到短肢剪力墙小、大孔的特点，则不适合设计成整体的小开口墙结构，因此综合安全性和经济性因素，应该把短肢剪力墙设计为α＜10，ζ≤［ζ］的连肢墙。

4.2短肢剪力墙的布置

（1）短肢剪力墙根据均匀性、分散性、对称性、周边的原则进行布置。均匀、分散是每个剪力墙侧向刚度的要求，避免出现个别刚度特别大的剪力墙受力太集中现象的出现。对称布局，可以使刚心和质心两者重合，避免或减少结构收到的扭矩。剪力墙靠近结构单元的周边布局，可以增加建筑物的外刚度，减小结构的扭转周期。

（2）高层建筑不能全是短肢剪力墙结构。如果短肢剪力墙结构过多，可利用中部的竖向交通中心布置较多的剪力墙，形成完整或较完整的筒体或一般剪力墙来共同抵抗水平力。

（3）短肢剪力墙应布置在房间分隔墙的交点处且竖向荷载较大处，方便梁的支撑。在此过程中应使其尽量均匀分布，使其轴向应力不相差悬殊，而且也便于支撑楼盖。

（4）短肢剪力墙可以根据结构受力的实际需要来确定其数量和长度。可由基本自振周期来判断剪力墙布置是否合理。短肢剪力墙应对齐，并拉直，以形成一个完整的的抗侧力片。当然，不能完全做到时也容许局部相互错开。

（5）建筑的外凸部分、平面外边缘和角点处容易产生大的应力集中，应设置短肢墙加强其整体性，以满足平面刚性和抗扭的要求。

（6）采用普通楼板时，短肢剪力墙的间距不应过大，以防止楼板在自身平面内变形过大，否则应采用预应力楼板。

4.3抗震薄弱环节与改善方法

根据工程实践和试验数据，剪力墙结构的抗震薄弱部位主要包括建筑平面外边缘、角点处的墙肢、小墙肢、连梁等，当发生扭转效应时，建筑平面边缘和墙角的墙体会先断裂；在地震作用下，高层的短肢剪力墙结构会出现较大的整体弯曲变形，周围的小墙肢由于截面底部的面积小而承受更大的竖向载荷，损坏较为严重。而在短肢剪力墙结构中，墙体的刚度弱化，会增加连梁受剪切破坏可能性增加。因此，设计短肢剪力墙结构过程中需要对结构薄弱部位的设计加以强化。如结构布置应使其刚心和质心的位置越接近越好，减少结构的扭转效应；对截面的轴压比进行严格控制，保证墙体的承载能力和延性；提高短肢剪力墙的抗震等级；每层短肢剪力墙的剪力设计值要做必要的调整，与此同时。还要保证墙体截面的纵向钢筋配筋率。在进行抗震设计时应注意对梁“强剪弱弯”的检查，确保连梁的弯曲屈先于剪切破坏，进而发挥连梁的作用。

5　结语

现如今，高层住宅建筑都要求有大开间、平面及房间布置灵活、方便的特点，在对高层住宅建筑的过程中，关于短肢剪力墙结构的应用发展前景非常广阔。在短肢剪力墙的结构设计中，应注意正确测定短肢剪力墙和短肢剪力墙结构，为了更好的掌握结构承载能力的有异性；必须结合短腿剪力墙结构的特点，以及对墙的合理布局；并针对该结构体系设计抗震薄弱环节，加强设计的薄弱环节，从而做出安全、经济、合理的结构设计。

［1］张王送.短肢剪力墙结构的抗震设计［J］.安徽建筑，2005，12（6）.

［2］《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ5-2002）［S］.

［3］于 群.小高层住宅中短肢剪力墙结构的设计应用［J］.中国科技信息，2005（19A）.

［4］杨星.PKPM软件从入门到精通.

TU398.2

A

2095-2066（2016）25-0189-02

2016-8-22

郭 昱（1975-），男，工程师，本科，从事建筑结构设计工作。