短肢剪力墙在小高层住宅中的合理性布置研究

陈亦梅　王　晴

(1.宁波市鄞州区人民政府南街道办事处，浙江宁波　315100; 2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥　230009)

短肢剪力墙在小高层住宅中的合理性布置研究

陈亦梅1王晴2

(1.宁波市鄞州区人民政府南街道办事处，浙江宁波315100; 2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥230009)

摘要:通过选择三种不同的短肢剪力墙布置方案，分析了短肢剪力墙的布置对小高层建筑设计指标的影响，并采用SATWE有限元软件，计算对比了各种方案下结构的周期比、轴压比、层间刚度比、位移等设计指标，同时利用弹性时程分析法，评估了结构在传统地震波下的动力性能，给出了短肢剪力墙在小高层建筑中的合理布置方式。

关键词:小高层住宅，短肢剪力墙，SATWE软件，布置方案

0　引言

所谓小高层住宅，实质上是7层～9层中高层住宅和10层～12层的高层住宅相加在一起的概念，小高层住宅摒弃了高层住宅( 12层以上)的缺点，同时保持了多层住宅的优点［1］。在现阶段，我国绝大部分的住宅建筑还是以混凝土结构为主，框架结构、剪力墙结构和框—剪结构是工程师在设计小高层结构时的常用选择。近年来，短肢剪力墙结构开始在小高层住宅建筑逐渐出现，它以良好的抗震性能和灵活的布置形式被越来越多的工程师喜欢而流行［2］。

本文结合霍山凤凰城小高层住宅建筑，通过不同的短肢剪力墙的结构设计方案的分析对比，探索短肢剪力墙在小高层住宅建筑中的合理布置。

1　项目概况

霍山凤凰城是一个包括4栋6层多层、8栋11层小高层和3栋17层高层住宅的小区，位于安徽省霍山县。小区的三面均为主要的交通要道，除位于沿道路的住宅底层的小开间商铺的层高为3.6 m外，其他各楼层的层高均为2.9 m，顶层设置有阁楼层，坡屋顶。该工程采用人工挖孔桩基础。

该小区的8栋11层小高层建筑的结构形式均为短肢剪力墙结构，抗震设防烈度为7度，建筑物抗震设防类别为丙类，结构安全等级为2级，墙厚设为200 mm，地上主体结构11层，无地下室。对于墙柱梁板所采用混凝土的强度等级，从基础顶面到6层顶为C30，从6层顶到屋顶为C25;对于各部位或构件所采用的混凝土，桩基础为C25，基础梁和承台采用C30，基础垫层取C15，过梁、构造柱、圈梁取C25;对于所采用的受力钢筋，梁的受力钢筋均为HRB335，墙所采用的受力钢筋与钢筋直径有关，当钢筋直径大于12 mm时，采用HRB335，当钢筋直径小于12 mm时，采用HPB235，其他钢筋均采用HPB235。

2　荷载取值

该结构的楼屋面活荷载标准值均按GB 50009—2012建筑结构荷载规范［3］取值，具体的取值结果见表1。

表1　建筑楼屋面活荷载标准值

墙体按200 mm厚混凝土空心小砌块墙计算恒荷载，容重取11.8 kN/m2，扣除门窗洞口的重量;对于梁板，按其实际的尺寸计算恒荷载，考虑到抹灰的质量，取容重为27 kN/m2;考虑到屋面具体的设计构造，并结合荷载规范各材料的容重，最终按实际计算结果取屋面的均布恒荷载为7.0 kN/m2。

3　梁板尺寸确定

依据GB 50010—2010混凝土结构设计规范［3］规定“双向板的厚度不应小于80 mm，单向板的厚度不应小于60 mm”，同时考虑到合肥市关于住宅的相关规定“除厨房、卫生间等跨度很小的板可以采用板厚为90 mm，其他板厚应不小于120 mm”，本工程中的阳台、卫生间、厨房等跨度小于2 000 mm的板取厚度为90 mm，其他包括屋顶的板厚统一取1 200 mm。对于转角窗所在的房间，由于无法布置抗侧力构件，此处位移可能较大，考虑到结构的整体性，取其板厚为140 mm，并在转角窗处设置暗梁。

梁的截面高度通常取跨度的1/10左右;跨度取截面高度的1/3～1/2。考虑到施工的方便性，在建筑的外围，梁的截面尺寸统一取200 mm×500 mm;在建筑里面，主梁的截面尺寸取200 mm× 450 mm和200 mm×400 mm，次梁的截面尺寸取200 mm× 350 mm。

4　结构方案布置

该建筑的平面布置图基本相同，考虑到住宅的需求，在住宅的东南角设有转角窗。具体布置见图1。

图1　建筑平面布置图

在一般情况下，剪力墙为了提高结构的延性会尽可能的布置成T形和L形，但在③轴与?轴的相交处由于建筑的布置形式和考虑到短肢剪力墙的布置原则只能布置成Z形。

通常，短肢剪力墙结构的配筋都是按构造要求决定的，采用最小配筋率，考虑到结构的经济性，对于承受荷载较小的剪力墙，其截面高度取为6倍的墙厚。JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程［5］规定:“翼墙长度小于其厚度3倍或端柱截面边长小于墙厚的2倍时，视为无翼墙或无端柱”。考虑到翼墙的约束作用，本次所采用的翼墙长度为3倍～4倍的墙厚。在楼梯的入口处，由于建筑的需要，设有400 mm×1 800 mm的洞口，在洞口上部设置高度为1 100 mm的连梁，该连梁的跨高比为2.75。由于连梁的存在，经分析，该段墙体可视为联肢剪力墙，具体计算配筋时按短肢剪力墙计算，这样既方便了处理也为结构提供了一定的安全储备。

对该工程，三种结构布置方案被先后提出，具体布置方案见图2～图4。

图2　方案一的结构布置图

图3　方案二的结构布置图

图4　方案三的结构布置图

5　结果分析比较

采用SATWE有限元软件对三种结构布置方案进行在传统地震力作用下的轴压比、位移、层间位移角等指标分析对比。

5.1结构周期和周期比

周期是反映结构刚度的重要指标，当结构的周期越长时，结构的刚度就越小，承受的地震力就越少;当结构的周期越短，结构的刚度就越大，承受的地震力就越多。周期比是反映结构扭转效应的重要参数。历次震害表明，平面不规整、质心与刚心的偏差较大以及扭转刚度较弱的结构，在地震中遭受到的破坏就较为严重［6］。因此，严格的控制结构的周期比对于控制结构的扭转效应是非常重要的。经有限元计算，可得三种结构布置方案的主要设计控制参数，具体结果见表2。

表2　结构的主要控制参数对比表

通过表2可以看出，三种结构布置方案的第三周期扭转系数均接近1，即结构的刚心与质心基本重合，且均以第一、第三周期为平动，第二周期为转动，第一扭转周期与第一平动周期的比值小于规范上所规定的0.9的限值，第一周期即为结构的自振周期，从计算结果可看出，三种布置方案的自振周期均较大，即结构承受的地震作用较小。

5.2短肢剪力墙所承担的地震倾覆力矩

根据JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程［5］第7.1.8条规定:“抗震设计时，高层建筑结构不应全部采用短肢剪力墙，且短肢剪力墙不宜较多;在规定的水平地震作用下，短肢剪力墙承担的底部倾覆力矩不宜大于结构底部总倾覆力矩的50%”。由表2可以看出，三种布置方案满足规范要求，方案一仅仅为22.3%，但方案二和方案三均大于30%是属于具有较多剪力墙的剪力墙结构。

由表2可以看出，方案三在第一周期下，底层短肢剪力墙所承担的倾覆力矩比例接近JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程［5］规定的不宜大于50%的上限;方案二的也达到了31.4%，方案一仅仅为22.3%。

5.3结构层间刚度比

层间刚度比是指结构竖向不同楼层的侧向刚度的比值，是反映结构竖向不规则性和判断薄弱层的主要指标［6］。由于结构各层的平面布置均相近，且竖向布置规则，故结构不存在层间刚度突变的现象，也没有薄弱层。

5.4结构位移比和位移角

位移比是反映结构平面布置不规则性和整体扭转的重要参数［6］。依据相关规范可知，该工程的位移比不宜大于1.2。由表2可知，方案一对结构的位移比控制较好，方案三次之，方案二达到了规范规定的上限。

最大位移曲线对比见图5。

图5　最大位移曲线对比图

层间位移角即层间最大位移与层高的比值，是反映结构的变形能力、控制结构的不规则性和整体刚度的重要指标［6］。由图6可知，三种布置方案的最大层间位移角相差不大，均小于高规对最大层间位移角的限值。

5.5墙肢的轴压比

图6　最大层间位移角曲线对比图

墙肢的轴压比是指墙肢的轴向压力设计值与墙肢的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比，它是影响墙肢抗震性能的主要因素之一，为了使墙肢具有很好的延性和耗能能力，轴压比必须满足规范限值［6］。由图7～图9可知，三种方案的底层剪力墙和短肢剪力墙的轴压比均满足JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程［5］对剪力墙和短肢剪力墙轴压比的要求。

图7　方案一底层墙体轴压比

图8　方案二底层墙体轴压比

图9　方案三底层墙体轴压比

5.6时程分析

根据GB 50011—2010建筑抗震设计规范［7］第5.1.2条:“特别不规则的建筑、甲类建筑和表5.1.2-1所列高度范围的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算，可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值”。

现采用时程分析法［8，9］对结构进行分析计算。该工程的特征周期为0.35s，建筑场地类别为Ⅱ类场地第一组，然后据此选出两组实际的地震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线人工波( RH1TG035 )。选择SATWE自带的两组地震波，分别为TH3TG035，COALINGA 1983.5.2，6.5级和TH2TG035，SAN FERNANDO 1971.2.9，6.4级。具体的计算结果见图10，图11。

图10　时程分析下最大楼层位移曲线

图11　时程分析下最大层间位移角曲线

从图10和图11可以看出，三种布置方案在时程分析下的最大楼层位移和最大层间位移角相差不大，且均在合理的范围内。

6　结论及建议

结合凤凰城小高层工程实例，通过SATWE软件计算分析轴压比、位移、层间刚度比等设计指标和时程分析法下的结构的动力特性来判别三种短肢剪力墙的布置方案的合理性。通过分析对比结果可知，在三种布置方案中，只要短肢剪力墙在小高层建筑中布置的合理，且底层短肢剪力墙所承担的倾覆力矩比例小于50%时，结构的各项设计指标就能满足要求;当短肢剪力墙在小高层建筑中合理布置，且底层短肢剪力墙所承担的倾覆力矩比例小于3%时，结构的各项设计指标会更优化。

参考文献:

［1］宋义.小高层住宅建设与住宅产业发展［J］.工程建设与档案，2004( 2) :23-24.

［2］容柏生.高层住宅建筑中的短肢剪力墙结构体系［J］.建筑结构学报，1997，18( 6) :14-19.

［3］GB 50009—2012，建筑结构荷载规范［S］.

［4］GB 50010—2010，混凝土结构设计规范［S］.

［5］JGJ 3—2010，高层建筑混凝土结构技术规程［S］.

［6］陈超核，赵菲，肖天鉴，等.建筑结构CAD-PKPM应用与设计实例［M］.北京:化学工业出版社，2012.

［7］GB 50010—2010，建筑抗震设计规范［S］.

［8］王亚勇，刘小弟.建筑结构时程分析法输入地震波的研究［J］.建筑结构学报，1991，1( 2) :52-60.

［9］邓军，唐家祥.时程分析法输入地震记录的选择与实例［J］.工业建筑，2000，30( 8) :9-12.

On reasonable allocation research of short-leg shear wall in small high-rise buildings

Chen Yimei1Wang Qing2
( 1.Nanjiedao Sub-district Office，Ningbo Yinzhou People’s Government，Ningbo 315100，China; 2.College of Civil Engineering and Water Conservancy，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

Abstract:According to the three allocation schemes for the short-leg shear walls，the paper analyzes the influence of the short-leg shear wall allocation on the small high-rise buildings，adopts SATWE finite element software，calculates the design indexes，including the period ratio，axial pressure ratio，story stiffness ratio，and displacement，adopts the elastic time-history analysis，evaluates the dynamic performance under traditional seismic waves，and provies the reasonable allocation for the short-leg shear wall in small high-rise buildings.

Key words:small high-rise building，short-leg shear wall，SATWE software，allocation scheme

作者简介:陈亦梅(1969-)，女，工程师;王晴(1993-)，女，在读硕士

收稿日期:2015-11-24

文章编号:1009-6825( 2016) 04-0029-04

中图分类号:TU973

文献标识码:A