浅谈短肢剪力墙结构体系设计

李 安

摘要:短肢剪力墙结构体系是在原有剪力墙结构体系的基础上,吸收了框架结构体系的优点,近年来逐步发展形成的新结构型式,适用于现浇钢筋混凝土塔式或板式高层住宅,短肢剪力墙结构是适应建筑要求而形成的特殊的剪力墙结构,具有较强的实用性。文章从剪力墙的分类、短肢剪力墙的布置着手,对高层建筑设计中剪力墙结构的应用进行了分析。

关键词:短肢剪力墙;建筑设计;风荷载荷;结构体系设计

中图分类号:TU241文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)22-0144-02

“短肢剪力墙结构”是在原有剪力墙的基础上,吸收了框架结构的优点,逐步发展形成的能适应人们新的住宅观念的高层住宅的结构型式。这种新的结构体系由于在很大程度上克服了普通框架与普通剪力墙结构的缺点,受到了建筑师的肯定。短肢剪力墙结构体系便于利用中部竖向交通区形成较为完整的筒体,外围布置短肢剪力墙保持墙面平整,墙肢布置灵活,同时降低了建筑结构的混凝土用量,所以很受开发商的欢迎。

一、剪力墙的分类

房屋或构筑物中主要承受风荷载或地震作用引起的水平荷载的墙体,防止结构剪切破坏,又称抗风墙或抗震墙、结构墙。分平面剪力墙和筒体剪力墙。平面剪力墙用于钢筋混凝土框架结构、升板结构、无梁楼盖体系中。为增加结构的刚度、强度及抗倒塌能力,在某些部位可现浇或预制装配钢筋混凝土剪力墙。现浇剪力墙与周边梁、柱同时浇筑,整体性好。筒体剪力墙用于高层建筑、高耸结构和悬吊结构中,由电梯间、楼梯间、设备及辅助用房的间隔墙围成,筒壁均为现浇钢筋混凝土墙体,其刚度和强度较平面剪力墙高可承受较大的水平荷载。

一般按照剪力墙上洞口的大小、多少及排列方式,将剪力墙分为以下几种类型:

(一)整体墙

没有门窗洞口或只有少量很小的洞口时,可以忽略洞口的存在,这种剪力墙即为整体剪力墙,简称整体墙。当门窗洞口的面积之和不超过剪力墙侧面积的15%,且洞口间净距及孔洞至墙边的净距大于洞口长边尺寸时,即为整体墙。

(二)小开口整体墙

门窗洞口尺寸比整体墙要大一些,此时墙肢中已出现局部弯矩,这种墙称为小开口整体墙。

(三)联肢墙

剪力墙上开有一列或多列洞口,且洞口尺寸相对较大,此时剪力墙的受力相当于通过洞口之间的连梁连在一起的一系列墙肢,故称连肢墙。

(四)框支剪力墙

当底层需要大空间时,采用框架结构支撑上部剪力墙,就形成框支剪力墙。在地震区,禁止采用纯粹的框支剪力墙结构。

需要说明的是,上述剪力墙的类型划分不是严格意义上的划分,严格划分剪力墙的类型还需要考虑剪力墙本身的受力特点。

二、短肢剪力墙的布置

进行短肢剪力墙布置的时候,应注意使结构的刚度适宜,传力路径明确,结构专业应较早地介入建筑专业的方案设计,使结构布置既能满足建筑功能的要求,又能做到经济合理,

(一)布置原则

1.短肢剪力墙总的布置原则是:均匀、分散、对称、周边。均匀、分散是要求每片剪力墙的抗侧刚度相差不大,避免一、二片刚度特大的剪力墙受力过于集中。对称布置,可使质心和刚心重合,这样可以避免和减少建筑物受到的扭矩。剪力墙靠近结构单元的周边布置,可增大房屋的外围刚度,从而减小结构的扭转周期。

2.高层建筑不应全部是短肢剪力墙结构,若短肢剪力墙较多,可在竖向交通中心区布置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,但不必在每个墙交接处设短肢墙。满足竖向荷载和抗侧力的需要既可。

4.短肢墙的数量和长短可根据结构受力的需要来确定。可由基本自振周期来判断剪力墙布置是否合理。

5.短肢墙应尽量对齐、拉直,以便和连梁构成抗侧力片。

6.在外凸部分,平面外边缘和角点处,容易产生大的应力集中,应设短肢墙以满足平面刚性和抗扭的要求。

7.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。

(二)控制短肢墙体系的扭转效应

结构的刚心是结构抗侧力构件恢复力合力的作用点。结构的质心是地震惯性力合力作用点的位置,质心就是重心,重心可用材料力学求重心的方法求出。

不对称结构,在地震作用下除了发生平移振动外,还会发生扭转振动。引起扭转振动的主要原因在于结构的质心和刚心不重合,质心和刚心的偏离会引起楼层相对平移,还引起楼层的转动,楼层扭转产生的位移和平移产生的位移叠加,可使层间位移难以满足要求,导致不利位置结构构件的破坏。设计时可以通过调整短肢剪力墙的尺寸和布置来调整刚度大小和刚度中心的位置。

三、实例分析

某23层住宅采用纯剪刀墙结构和短肢墙结构的方案对比计算:

1.方案1:剪力墙方案,按照传统做法,外墙除预留门、窗洞口外,以剪力墙为主,为满足建筑空间要求,内墙根据需要设置了部分剪力墙,墙厚一律200mm。

2.方案2:短肢墙方案,核心区剪力墙厚200mm,短肢墙12层以下250mm,12层以上200mm,混凝土7层以下C25,以上C20,墙肢按构造要求设置暗柱。

短肢墙方案由于剪力墙数量减少,建筑物的设计荷载减少25071kN,降低了11.3%,而剪力墙方案则由于墙肢较多,侧向刚度大,自振周期短以及结构自重大等原因导致地震作用加大,其底部剪力系数分别比短肢墙方案大48%(横向)和39%(纵向),底部剪力分别增加64%(横向)和55%(纵向)。显然,短肢墙方案对结构以及基础都是十分有利的。

通过上表还可看出,短股墙方案的风荷载位移和地震作用下位移均远远小于规范限值,说明仍有较大的安全储备和足够的抗侧移能力,其功能水平超过了规范的功能要求。

通过上表还可看出,短肢墙方案的风荷载位移和地震作用下位移均远小于规范限值,说明仍有较大的安全储备和足够的抗侧移能力,其功能水平超过了规范的要求。

由于墙肢数量减少,上部结构节约混凝土用量919m3,按当时价格水平节约造价46万元,同时由于自重减轻使得基础工程中节约34根桩,造价50多万元,两项合计共节约造价100多万元。

由于墙肢数量的减少,使每一层的结构面积减少约13.2m3,若其中一半折算成为使用面积,则23层共可以增加使用面积150m2。

四、结语

随着新型墙体材料的不断开发和应用,现代高层住宅建筑要求大开间、平面及房间布置灵活、方便,室内不出现柱、梁壳,短肢剪力墙结构体系在高层住宅中的应用有着广阔的发展前景。

参考文献

[1]陈向上.短肢剪力墙抗震性能影响分析与设计[J].科技资讯,2009,(3).

[2]张立力,张冰.短肢剪力墙结构设计问题探讨[J].吉林勘察设计,2008,(1).

[3]熊外望.结合实例谈短肢剪力墙的设计[J].建材与装饰(下旬刊),2008,(1).

[4]施巧珍.对目前短肢剪力墙结构设计的探讨[J].四川建材,2009,(1).

[5]黄东辉,王小鹏.高层建筑短肢剪力墙与异形柱结构受力分析与设计探讨[J].陕西建筑,2007,(11).

[6]武彩红,冀建军.短肢剪力墙和异形柱的研究综述[J].山西建筑,2009,(07).

[7]蔡斌.关于剪力墙结构的设计[J].决策与信息(财经观察),2008,(10).

[8]张守军,李青宁,李锐,方运红.T形短肢剪力墙弹塑性受力性能优化分析[J].四川建筑科学研究,2009,(1).

[9]张玲.高层短肢剪力墙设计实例浅析[J].工程建设与设计,2008,(2).

[10]王建祥,李双喜,苏枋,于建军.应用ANSYS建立短肢剪力墙仿真模型[J].内蒙古科技与经济,2008,(23).