建筑住宅楼剪力墙结构设计计算研究
2018-01-04许素荣
许素荣
【摘 要】本文基于高层建筑及结构的现状出发，着力于剪力墙结构设计计算研究，从短肢剪力墙的内涵于方法剖析，短肢剪力墙设计及抗震加强及受力分析，以期推进住宅楼剪力墙结构设计计算的科学规范，促进建筑质量的不断提升。
【关键词】短肢剪力墙；设计；受力分析
随着我国的改革开放，人民的生活水平的日益提高，在我国的一些大、中城市都大量的兴建住宅楼，在城市用地的日趋紧张及住户对在房屋的使用功能、面积和房间组合等提出越来越高的要求，高层住宅楼越来越多，而且平面布置也趋于复杂。在多数住宅楼中，把楼梯、电梯及竖向管道井置于中部，形成一个竖向交通核心，各住宅单元围绕该中心布置的平面布置方法，经过长时期的使用，证明了这种格式的高层住宅楼各单元的通风采光良好、平面紧凑、结构外露面少，而且较为经济，已普遍被推广。
《高屋建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002） 中提出“ 近年兴起的短肢剪墙结构有利于住宅建筑布置，又可进一步减轻结构自重。”肯定了短肢剪力墙在高层住宅中的优点和特点。基于此，本文重点从剪力墙结构设计计算进行探索。
1 高层建筑现状及结构
在我国，旧规范规定8层以上的建筑都被称为高层建筑，而目前，接近20层的称为中高层，30层左右接近100m称为高层建筑，而50层左右200m以上称为超高层。在新《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）里规定：10层及10层以上或高度超过28m的钢筋混凝土结构称为高层建筑结构。当建筑高度超过100m时，称为超高层建筑。
我国的房屋6层及6层以上就需要设置电梯，对10层以上的房屋就有提出特殊的防火要求的防火规范，因此我国的《民用建筑设计通则》（GB50352—2005）、《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045-95）将10层及10层以上的住宅建筑和高度超过24m的公共建筑和综合性建筑划称为高层建筑。
高层建筑中短肢剪力墙是通过加开结构洞及加大门窗洞口的宽度，墙体由几个短的独立的钢筋混凝土墙段，通过连梁拉结，以达到减少剪力墙肢长，增长建筑物自振周期和降低地震作用的目地。短肢剪力墙属剪力墙的一种，通过采用T 形、L 形、十字形等的墙肢。这些墙肢主要分布于房间分隔墙的交点处，并视抗侧力的需要和分隔墙相交的形式而布置适当数量的各种形式的短肢墙，并在各墙肢处布置连梁，把这些短肢墙连结成一个整体，而未利用部分的剪力墙中的间隔墙，则用轻质砌体填充。
2 剪力墙结构设计
（1）短肢剪力墙的内涵
短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5～8的剪力墙。但《高层建筑混凝土结构技术规程》第7.1.2条规定高层建筑结构不应采用全部短肢剪力墙的剪力墙结构，短肢剪力墙较多时，应布置筒体（或一般剪力墙），形成短肢剪力墙与筒体（或一般剪力墙）共同抵抗水平力的剪力墙结构。
（2）短肢剪力墙的方法剖析
《高层建筑混凝土结构技术规程》第7.1.3条规定了B级高度高层建筑和9度抗震设计的A级高度高层建筑，不应采用第7.1.2条规定的具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构。
短肢剪力墙结构的必要条件为抗震设计时，短肢墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不大于结构总底部地震倾覆力矩的50%。
短肢剪力墙结构的下限，当短肢墙较少时，如短肢墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩小于结构总底部地震倾覆力矩的15%～ 40%，则可以按普通剪力墙结构设计。下限规范没有规定，用户可以灵活掌握。B级高度高层建筑和9度抗震设计的A级高度高层建筑，即使置筒体，也不能采用。最大适用高度比高规表4.2.2-1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。在剪力墙结构中，只有个别小墙肢，不应看成短肢剪力墙结构而应作为一般剪力墙结构处理。短肢剪力墙结构，其首先应是全剪力墙结构，应有足够的长肢剪力墙。如果把短肢墙看成异形柱，则短肢剪力墙结构可以认为呈框剪结构的变形特征。当结构形式符合短肢剪力墙结构形式后，才能在软件“总信息”参数的结构体系中，定义结构为“短肢剪力墙结构”。
（3）短肢剪力墙设计
短肢墙设计，短肢剪力墙为5
短肢墙设计主要参数有轴压比（按剪力墙）、刚度（墙输入、采用壳元或薄壁杆元）、配筋（按剪力墙）、构造（按高规的短肢墙构造）。
弱短肢剪力墙（截面高厚之比小于5的墙肢）规定了不宜采用墙肢截面高度与厚度之比小于为5的剪力墙；当其小于5时，其在重力荷载代表值作用下产生的轴力设计值的轴压比，抗震等级为一级（9度）、一级（7、8度）、二级、三级时分别不宜大于0.3、0.4、0.5和0.6。
短墙（截面高度之比不大于3的墙肢）规定剪力墙的截面高度与厚度之比不大于3时，应按柱的要求进行设计，底部加强部位纵向钢筋的配筋率不应小于1.2%，其它部位不应小于1.0%，箍筋应沿全高加密。
（4）短肢剪力墙设计抗震加强分析
抗震设计时，短肢剪力墙的抗震等级应比规定的剪力墙的抗震等级提高一级采用。
各层短肢剪力墙在重力荷载代表值作用下产生的轴力设计值的轴压比，抗震等级为一、二、三时分别不宜大于0.5、0.6和0.7；对于无翼缘或端柱的一字形短肢剪力墙，其轴压比限值相应降低0.1。除底部加强部位应按高规7.2.10条调整剪力设计值外，其它各层短肢剪力墙的剪力设计值，一、二级抗震等级应分别乘以增大系数1.4和1.2。
短肢剪力墙截面的全部纵向钢筋的配筋率，底部加强部位不宜小于1.2%，其它部位不宜小于1.0%。短肢剪力墙截面厚度不应小于200mm。 7度和8度抗震设计时，短肢剪力墙宜设置翼缘。一字形短肢剪力墙平面外不宜布置与之单侧相交的楼面梁。 高规7.2.1条文规定了带有筒体和短肢剪力墙的剪力墙结构的混凝土强度等级不应低于C25。
（5）短肢剪力墙受力分析
短肢剪力墙结构是指墙肢的长度为厚度的5-8倍剪力墙结构，常用的有“T”字型、“L”型、“十”字型、“Z”字型、折线型、“一”字型。该结构型式的主要特点有：
1）结合建筑平面，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；
2）墙的数量可多可少，肢长可长可短，主要视抗侧力的需要而定，还可通过不同的尺寸和布置来调整刚度中心的位置；
3）能灵活布置，可选择的方案较多，楼盖方案简单；
4）连接各墙的梁，随墙肢位置而设于间隔墙竖平面内，可隐蔽；
5）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。
总之，对短肢剪力墙结构的设计计算，因其是剪力墙大開口而成，所以基本上与普通剪力墙结构分析相同，可采用三维杆-系簿壁柱空间分析方法或空间杆-墙组元分析方法，前者如建研院的TBSA、TAT，广东省建筑设计院的广厦CAD的SS模块，后者如建研院的TBSSAP、SATWE，清华大学的TUS，广东省建院的SSW等。其中空间杆墙组元分析方法计算模型更符合实际情况，精度较高。虽然三维杆系-簿壁柱空间分析程序使用较早、应用较广，但对墙肢较长的短肢剪力墙，应该用空间杆-墙组元程序进行校核。
【参考文献】
[1]中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部.高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.
[2]包世华，方鄂华.高层建筑结构设计[M].北京：清华大学出版社，2001.
