小高层建筑中短肢剪力墙结构设计研究

孙超　孙黎光　潘兵奇

【摘 要】 剪力墙结构具有较好的抗震性能，且结构布置灵活，造价低，经济性好，所以高层住宅较多的使用这种结构形式。经过对设计、施工和使用中发现的问题进行总结，进一步优化，这种结构形式的小高层住宅是值得发展的住宅模式。

【关键词】 小高层建筑；短肢剪力墙；结构设计

前言：

短肢剪力墙结构是在普通剪力墙结构之上发展而来的。随着城市建筑规模的不断扩大，房屋建筑的楼层在高度变得越来越高，在体型上也变得越来越笨重，尤其是在今天，高层建筑和超高层建筑已经成为了现代城市建筑的主流。当高层建筑取代了原有的低层建筑，成为现代城市建筑的核心时，如果在建筑结构上仍然采用原有的普通露梁露柱和普通的剪力墙，那么必然无法满足高层建筑的结构需求。因此，在原有的普通剪力墙的基础之上，人们探索和创新出了一种新型的，且能够满足高层建筑的结构需求，适应现代人新的住宅观念的一种建筑结构形式，即短肢剪力墙。

1 短肢剪力墙结构的优点

1.1可以满足建筑功能的需要

通过前面的介绍我们知道了，短肢剪力墙结构是在原有的普通剪力墙结构上发展起来的，因此，它仍然具有与普通剪力墙一样的，分隔和限定建筑空间的功能。不同的是，短肢剪力墙墙肢的厚度和填充墙的厚度相同，且连接建筑室内每一面墙的露梁位置处于隔墙的竖向平面内，这样的连接方式可以有效避免梁柱突出墙面，降低室内墙体结构的美观度；其次，短肢剪力墙所采用的建筑材料是轻质型材料，完全符合新时期下建筑墙体的改革方向；最后，在小高层建筑中使用短肢剪力墙结构，可以在一定程度上扩大建筑的室内面积和使用面积。

1.2可以满足结构设计的需要

对于楼层数量在12层到16层之间的小高层建筑来说，采用短肢剪力墙结构既可以有效保证建筑结构的刚度，又可以使得室内空间方正合理，并且在一定程度上扩大建筑的使用空间。这些优点都是因为短肢剪力墙在结构设计上与普通的剪力墙结构不同。那么，短肢剪力墙在结构设计上到底具有什么样的特点呢？笔者对此作出以下分析。

短肢剪力墙结构应用于小高层建筑时，相比于框架——抗震墙，它的结构布置更加灵活而巧妙。因为，在短肢剪力墙体系中，其墙肢和露梁都可以隐蔽在建筑墙体中，其墙肢的数量和长度都可以根据建筑抗侧力的具体需要而定，长度可长可短，数量也可多可少。这样的设计优势是一般的框架——抗震墙体系无法比拟的。其次，短肢剪力墙与普通的剪力墙相比，它能够避免钢筋材料的浪费。在传统的剪力墙结构中，往往会发生由于剪力墙的墙体过长而不符合建筑结构的要求，造成配筋的浪费，但在短肢剪力墙施工中，则不会出现这种情况；最后，短肢剪力墙可以降低建筑主体结构的重量，从而降低建筑地基基础的造价，为企业节省相关的建筑施工成本。除了以上所说的优点之外，短肢剪力墙结构还能够保证建筑主體结构能够具有一定的延展性，避免连梁的剪切破坏；如果施工得体，还可适当提高建筑主体结构的抗震等级；具有良好的承载能力和抗测力能力等等。

2 短肢剪力墙结构布置中需注意的问题

短肢剪力墙应用于具体的工程实践时，相关施工人员要充分考虑到它所具有的较差的抗震性能，并对其结构的薄弱环节——抗震性，采用相关的手段进行适当的加强，以使其能够真正满足小高层建筑的高规要求。具体做法如下：

（1）短肢剪力墙应均匀布置，使墙的轴向应力差别不宜过大。竖向布置短肢剪力墙，尽可能做到墙肢上、下对齐、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。

（2）每道短肢剪力墙宜有两个方向的梁与之相连接，连梁尽可能布置在墙肢的竖向平面内。短肢剪力墙应该尽量在另一方向上设置翼缘，尽可能避免有一字形短肢剪力墙出现。结构布置上考虑纵横墙的共同作用。

（3）短肢剪力墙应设计成强墙柱弱连梁的体系。所谓强墙柱，是指墙柱可采用强度等级高的混凝土，加强墙柱配筋：尽可能减少连梁高度，使分配的地震力不至于太大，也使短肢剪力墙体系计算更合理。

（4）B级高度高层建筑及9度抗震设计的A级高度高层建筑，不能采用短肢剪力墙结构。

（5）最大适用高度比高规表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。

3 结构计算模型和软件

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。其计算模型同于普通剪力墙结构，将结构作为空间体系，粱和柱均采用空间杆单元，剪力墙单元模型。目前计算上可采用的三维空间分析软件有开口薄壁计算模型，空间膜元，板壳单元模型以及墙组元模型。楼板假定有无限刚和弹性两种，目前短肢剪力墙结构广泛采用中国建筑科学研究院PKPM-CADI程部的两个计算软件，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用来计算一些结构体系较为规整的高层建筑物，其计算模型视墙为薄壁杆件；SATWE用来计算一些结构体系复杂、规模大的高层或超高层建筑物，是基于壳元理论的考虑空间组合作用的有限元分析方法，减少模型化误差，精度高。SATWE是较实用的板壳单元模型，其特点是用每一节点六个自由度的壳无来模拟剪力墙单元。剪力墙既有平面内的刚度，又有平面外的刚度，楼板既可以按弹性考虑，也可以按刚性板考虑，这是一种接近实际情况的模型。结构设计时应针对建筑特点选择合适的结构计算软件。

值得注意的是，软件计算时并不是墙元划分得越细越好。当墙元划分过细时，由于单元有一定的厚度，当单元的长、宽与厚度之比接近时，就不能再作为墙单元计算。

4 短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节及概念设计

短肢剪力墙结构是介于框架-剪力墙结构和一般剪力墙结构之间的一种结构形式，其抗震薄弱环节是建筑平面外边缘及角点处的墙肢、“一字形”短肢剪力墙及连梁。当有扭转效应时，建筑平面外边缘及角点处的墙肢会首先开裂；在地震作用下，高层短肢剪力墙结构将以整体弯曲变形为主，短肢剪力墙因截面面积小且承受较大的竖向荷载，破坏严重，尤其“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小，连接短肢剪力墙间的连梁已类似普通框架梁，其受剪破坏的可能性增加。因此，在短肢剪力墙结构设计中，对这些薄弱环节，应加强概念设计和抗震构造措施。例如，短肢剪力墙在平面上分布要力求均匀，必要时可用一般剪力墙来调整刚度中心，使刚度中心尽量接近建筑物质心，以减小扭转效应。由于短肢剪力墙的抗侧移刚度相对较小，故设计时应尽量利用电梯、楼梯间来形成一个核心筒，确保结构有足够的刚度，共同抵抗水平力。核心筒作为主要抗侧力构件时，设计中应保证核心筒与其外围结构的连接区域可靠。短肢剪力墙的最小截面厚度要满足规范要求的200mm，适当增加建筑平面外边缘及角点处的墙肢厚度及长度，严格控制短肢剪力墙截面的轴压比不超过规范要求，并加强短肢剪力墙（尤其是底部）的配筋，以提高墙肢的抗扭刚度、承载力和延性。短肢剪力墙截面小，壁薄，平面外稳定性差，故宜在两个方向均有梁与之拉结，连梁宜布置在各肢的平面内，避免采用“一字形”墙肢，否则应采取加大配筋、减小轴压比、设置端柱等加强措施。高层结构中连梁是一个耗能构件，连梁的剪切破坏会使结构的延性降低，对抗震不利，故连梁设计中应按“强剪弱弯”的原则进行，如对跨高比≥5的连梁应按框架梁进行设计，以保证连梁的受弯屈服先于剪切破坏。

5 结束语

通过本文对短肢剪力墙的优越性的分析，可以了解到短肢剪力墙在现代城市建筑中，尤其是在小高层建筑的设计施工中具有很广阔的应用空间，为此，我们应不断加强和完善短肢剪力墙的结构式设计，提高短肢剪力墙的结构设计水平，不断完善其构造要求，提高短肢剪力墙结构的抗震性能，注意结合实际情况改进细节部位，使采用短肢剪力墙结构进行施工的小高层建筑更加安全可靠。

参考文献：

[1]贾春伟，艾冬娜.小议建筑短肢剪力墙与异形柱结构的设计分析[J].黑龙江科技信息.2008（35）.

[2]刘桂华.短肢剪力墙结构设计存在的几个问题及探讨[J].科技资讯.2008（05）