短肢剪力墙结构设计与分析综述

霍海霞

摘要：进入21世纪以来，我国建筑水平在不断地提高和发展，框支短肢剪力墙结构因为具有众多优点，所以在高层建筑的建设中的应用越来越广泛，但是，目前来说该方法的相关理论分析还没有足够的清晰透彻，本文对该框支剪力墙结构中的短肢剪力墙的设计问题做了简要分析。

关键词：剪力墙;结构;设计

1 引言

随着我国经济的不断增长，我国建筑行业也随之发展迅速，尤其在高层建筑方面，因为使用不断增加，相关的设计和技术工作正在不断完善发展当中。在高层建筑的建设当中，经过不断的实践改进，以框支剪力墙为基础，其已逐步发展成一种比较能适应这种高层住宅建筑的结构体系，目前已得到广泛应用。下面就框支短肢剪力墙结构的设计问题做分析。

2 框支短肢剪力墙结构的特点

2.1 短肢剪力墙特点

短肢剪力墙，它仍属于剪力墙结构体系，只是肢长较短。短肢剪力墙截面形式更为多样，通常有T形，L形，]形，Z形，偶尔也会出现+形或—形。其在结构布置方面灵活性及可调整性大，墙数量可多可少，墙肢可长可短，还可通过不同的尺寸和布置来调整层剪切中心的位置，故不难得出合理的结构方案。就抗侧性能而言，短肢剪力墙介于普通剪力墙和框架之间，其侧向位移曲线仍为弯曲型，但曲率较普通剪力墙小（图1）。此外，短肢剪力墙一筒体结构的受力性能与框架一筒结构相比有较大不同，由于墙本身的抗侧能力，楼层剪力并非主要由核心筒承担，而是趋向于均匀分布，这一点在后面的实例计算中将会有明显反映。

2.2 框支剪力墙结构中的短肢剪力墙特点

框支剪力墙结构中的短肢剪力墙在具体结构形式上，则有鲜明的自身特点，主要表现在以下几方面：

2.2.1 在对剪力墙的支承形式上“框支”与“梁抬”并存。由于墙肢长较短，数量多，不可避免要出现某些墙肢与框支柱完全不沾边，直接支承在梁上的情况，工程上称为“抬梁”，这使得框支梁的设计计算变得非常重要。

2.2.2 转换结构一般采用深梁转换，由于短肢剪力墙截面形式多样，很多时候出现主次梁共同支承上部墙肢，甚至次梁支承再向主梁传递的情况，传力体系更加复杂。

2.2.3 框支剪力墙结构一般在转换层上下刚度变化较大，成为薄弱环节。框支短肢剪力墙结构墙肢短，往往与下层框支柱截面相差不多，若在设计时予以适当控制，刚度突变情况可得到改善。

3 框支剪力墙结构设计要点分析

3.1 框支剪力墙结构的设计原则

带转换层高层建筑结构是一受力复杂、不利抗震的高层建筑结构，在结构总体设计，特别是在抗震设防地区采用时，结构设计需遵循如下原则：

（1）减少转换。

（2）传力直接。

（3）强化下部、弱化上部。

（4）优化转换结构。

（5）计算全面准确。

3.2 框支梁设计

结构设计时，转换粱断面一般宜由剪压比控制计算确定，有合适的含箍率，以避免脆性破坏。

（1）框支梁断面确定：框支梁宽不宜小于2倍上部框支墙厚度，且不宜小于400mm，框支梁梁高不应小于梁跨度的1/6。

（2）框支梁不宜开洞。

（3）框支梁上部纵筋至少50%沿梁全长贯通，下部纵筋全部直通柱内，并沿梁高设直径大于16及间距不大于200的腰筋。

3.3 框支柱设计

框支柱断面一般由其轴压比确定。由于剪力墙在转换层处部分终断。必须保证下部框支柱的抗剪能力，限制轴压比。

3.4 落地剪力墙设计

落地剪力墙、简体宜均匀设置，落地剪力墙、筒体断面一般由其轴压比计算确定。落地剪力墙、简体断面尚需满足适宜剪压比限值要求，以避免脆性破坏。

3.5 上部剪力墙设计

转换结构上部剪力墙与转换结构协同工作，可视作一个层层受楼板约束、受相连墙、连梁空间约束的平面开洞薄梁，它与转换结构一起整体协同工作承受重力荷载、水平荷载。上部剪力墙及其连梁尤其是转换结构上层剪力墙及其连梁受力复杂、应力比较集中。上部剪力墙布置时，应注意其整体空间完整性和延性，注意外墙尽量设置转角翼缘，注意门窗洞口尽量居于转换结构跨中，应尽量避免无连梁相连的延性较差的秃头墙。

3.6 楼板

转换层楼板厚度不宜小于150mm，相邻转换层上部1～2层楼板厚度不宜小于120mm，且落地剪力墙内侧、落地简体外周楼板不宜开大洞。

4 框支转换层上下的刚度变化分析

4.1 现有剪切刚度比计算公式的缺陷

传统框支剪力墙结构由于上层剪力墙的刚度远大于下层框支柱，往往在转换层上下造成侧向刚度突变。在地震时，刚度突变部位易形成应力集中，同时底层过于柔性会导致侧向变形过大，而框支柱不能忍受过大变形，对抗震非常不利。因此，规范规定，对底层大空间剪力墙结构必须验算上下层剪切刚度比γ（式3-1），上下层刚度比宜接近于1，非抗震设计时，不应大于3，抗震设计时不应大于2。

（式3-1）

式中Gi、Gi+1——第i层、第i+1层的混凝土剪变模量;

Ai、Ai+1——第i层、第i+1层的混凝土剪变模量;

Aw——在所计算的方向上，剪力墙全部有效截面面积;

Ac——全部柱截面面积;

hi、hi+1第i层、第i+1層层高。

上式中对框支柱抗剪面积Ac所乘的0.12是一个统计数值，主要考虑到柱面积分布较为分散，截面性矩远小于剪力墙。对框支短肢剪力墙结构而言，单个墙肢截面面积与下层框支截面面积相差不多，减去落地核心筒剪力墙面积后，Aw与Ac也相差不多。

4.2 直接采用楼层侧向刚度比控制

建筑物的质量主要集中于楼层外，大多数时候，整个结构的动力分析可视为一连串竖向质点的水平振动（图2）。剪切刚度比的实际意义在于表达楼层抗侧刚度的比值，只是为了工程验算方便，才在规范中采用了简化的计算方式。实际上，楼层的抗侧刚度在X向和Y向是不同的，应分开考虑，因此，即使是对普通大空间框支剪力墙结构，剪切刚度比的计算方法也是不准确的。

2008版的建筑抗震设计规范中规定，“矩形平面的部分框支抗震结构，其框支层的楼层侧向刚度不应小于相邻非框支楼层侧向刚度的50%”。楼层侧向刚度的计算较为复杂，需要考虑弯曲、剪切和轴向变形的综合效应。对于体型较为复杂的结构，由于存在各杆之间的协同作用以及平面内的扭转，计算侧向刚度已必须借助电算，考虑空间协同作用。

5 工程实例分析

某工程属于复杂高层建筑结构中带转换层的结构类型，转换层在首层，因为首层商业功能的需要，上部需要转换的墙肢比较多。底部加强部位剪力墙及框支柱抗震等级为二级，底部加强部位以上标准层剪力墻抗震等级为三级，短肢剪力墙抗震等级为二级。

5.1 钢筋混凝土剪力墙住宅结构设计

墙肢结构设计按照抗震设计要求，结合建筑平面布置在窗间墙及房间四角等布置成L形、T形或十字形短肢剪力墙和一般剪力墙。短肢剪力墙结构抗侧移刚度主要取决于各墙肢刚度以及墙肢总量，墙肢太短或墙壁率太小，则结构刚度小，水平地震作用下位移偏大，影响承载力、稳定性和正常使用。反之，结构刚度偏大，地震作用大，构件配筋增大甚至超筋，形成浪费。

5.2 本工程实例结构构件设计及构造措施

5.2.1 梁、板的设计

本工程梁、板受力均按线弹性方法计算，考虑活荷载不利布置，与土壤接触的梁、板按计算弯矩、剪力及0.2mm裂缝宽度共同控制配筋，其余楼板按照计算弯矩、剪力及0.3mm裂缝宽度共同控制配筋，地下室为超长结构，除设置了后浇带外，其梁、板同时考虑了温度应力的作用。楼板厚度主要设计为l00mm厚，对大跨度楼板根据跨度加厚楼板至120m--150rm，对6.0×6.0m间隔的大板，在板面无负筋的区域另加φ8@200双向钢筋网与板负筋搭接连结。首层（转换层）顶板设计为180m厚，转换层上部第一个标准层楼板设计为120mm，其余层电梯前室因为结构加强及预埋线管的原因，楼板厚度设计为150mm，屋顶楼板为120mm，这几处均做了重点加强，采用双层双向配筋。梁的配筋率控制在0.45%～2.2%之间，对剪力墙开洞形成的跨高比小于5的梁按连梁设计，当跨高比大于等于5时，按框架梁进行设计。为减少梁、板结构因混凝土水化热而产生的温度裂缝，采用梁、板的混凝土强度等级低于柱、剪力墙混凝土强度等级12个级别，这样既减少了温度裂缝又节省了混凝土造价，同时构造配筋也减小了，降低了含钢量，取得了一举多得的效果。

5.2.2 短肢剪力墙设计

短肢剪力墙在二至四层为转换层上部的加强部位，抗震等级按提高一级做加强处理措施，墙厚加厚至250mm～300mm，轴压比控制在0.5以下，对约束边缘构件及墙身的配筋做了一定的加强。四层以上按抗震等级三级短肢剪力墙要求设计，墙厚减薄至200mm-250mm，轴压比控制在0.6以下，其构造边缘构件纵筋按0.8%控制，箍筋的配箍特征值按0.1控制。为了增加结构整体扭转刚度，减少扭转变形，对角窗部位的剪力墙及边缘构件也做了特别的加强。

5.2.3 框支框架、框支剪力墙设计

通过计算分析结果发现，框支柱顶及框支梁均出现较严重的应力集中现象，说明此处最容易破坏，需要加强。框支柱、梁截面配筋设计时比较TAT分析结果和SATWE分析结果，偏安全地取大值。框支柱、框支梁的抗震等级均提高至二级，本着“强剪弱弯"的原则，所有框支梁均采用φ12@100四肢箍全长加密。为实现“强柱弱梁，更强节点”的抗震设计目标，按二级抗震要求验算框架节点。转换层之上的三层剪力墙，由于结构刚度突变，引起内力集中，墙肢和连梁配筋以SATWE和TAT较大的计算结果做为设计依据，并适当放大加强。

6 结语

综上所述，对于小高层建筑而言，通过设计分析数据可知，框支短肢剪力墙结构的转换层工作状态是稳定可靠的。我们在进行设计时不仅要要求整体结构的平面布置合理、竖向布置合理、周期位移控制合理，还应该重点考虑转换层布置，使整体结构满足周期比和位移比要求，加强结构的抗裂性能。

参考文献：

[1] 王秀存 张海.局部框支-短肢剪力墙结构的设计思考和程序实现[J].工业建筑，2009年S1期.

[2] 瞿兆柏.框支短肢剪力墙结构的设计与分析[M].华南理工大学，2010年.

（作者单位：韶关市建筑设计院）