民用建筑结构设计中短肢剪力墙运用分析

占超 彭涛

(景德镇市建筑设计院有限公司，江西 景德镇 333000)

短肢剪力墙是指截面厚度低于300mm，并且各肢截面高度与厚度的比值在4～8 之间的剪力墙，该剪力墙的受力特点与变形特征基本与框剪结构一致，但在刚度分配方面更科学，在结构变形协调产生的竖向位移也较低，因此具有良好的适用性，能够有效保证建筑工程的稳定性与安全性。为了确保后续提出的民用建筑结构设计中短肢剪力墙的运用方法科学、合理，首先要对短肢剪力墙的基本特点与计算方法进行深入了解。

1 短肢剪力墙分析

1.1 特点与优势

短肢剪力墙的厚度通常保持在180～250mm 左右，而肢长范围则在800～2000mm 之间，如图1 所示，通常在建筑工程中会使用L 型、Z 型以及十字型的短肢剪力墙，并用于内墙与外墙的连接区域或是墙体转角位置。由于民用建筑的受力情况相对复杂，需要在应用短肢剪力墙时注意竖向交通区域的分隔，并设置剪力墙以此形成完整筒体，起到承载抗侧力以及竖向荷载的作用。外墙四周的竖向受力构件则要依照短肢剪力墙承载力大小以及建筑平面特点进行布置。

图1 短肢剪力墙

短肢剪力墙的主要特点体现在以下几方面：一是与建筑功能不矛盾，可以结合建筑平面，在隔墙区域布置竖向构件；二是能够依照结构抗侧力需要，进行短肢剪力墙数量与肢长短的调整，也可利用不同类型的抗侧力构件实现刚度大小与中心位置的把控；三是短肢剪力墙的布置更加灵活，对楼盖支撑的要求较低，无论是肋梁楼盖还是大跨度平板楼盖都能满足短肢剪力墙的应用需求；四是短肢剪力墙的中心竖向位置可以制作成筒体，从而符合建筑平面抗侧力需要。

1.2 计算方法

一是材料力学法，是指借助材料力学公式计算短肢剪力墙内力与位移，该方法适用于小开口整体墙，当墙体在水平作用下截面仍然保持平面且法向应力是以线性形式分布，则可利用材料力学法准确判断剪力墙变形量。二是连续化计算法，是指将部分结构进行简化处理，以此获取相对简单的解析内容，该方法可以将每层楼的连梁作为分布在民用建筑楼层高度上的连续杆，之后以连杆位移作为基础条件构建墙的内力微分方程，并绘制成曲线，以此保证结果的精确度，但该方法的假定条件较多，使用范围存在一定的局限性。

1.3 短肢剪力墙布置原则

第一，均匀分散原则，要求短肢剪力墙在布置时要保证每片墙抗侧刚度保持一致，防止出现受力过于集中的情况，造成剪力墙受力不均，影响结构稳定性。同时要采取对称布置的方式，实现质心与刚心的高度重合，避免建筑受到扭矩剪力，使剪力墙更靠近结构单元，以此达到强化房屋外围刚度，降低结构扭转周期的目的。第二，民用建筑不应全部采用短肢剪力墙，还要适当结合一般剪力墙以及筒体来完成水平力的共同抵抗。第三，短肢剪力墙需要布置在民用建筑房间分隔墙交汇并且竖向荷载较大的位置。第四，短肢剪力墙的数量和尺寸都需要依照结构受力情况进行设计，并以基本自振周期作为判断依据，确保布置方式科学合理，同时在布置时要尽可能保证墙体拉直、对齐，便于后续和连梁一同组成抗侧力构件。第五，在外凸区域，平面的外边缘与角点容易出现应力集中现象，需要利用短肢剪力墙满足平面抗扭转需要。第六，短肢剪力墙间距不可设置过大，与相邻洞口的边缘要预留一定空间，避免楼板在平面内出现形变过高的情况，防止小墙肢过早损坏。

2 短肢剪力墙运用在民用建筑结构设计中的路径探究

2.1 总体设计要求

在民用建筑结构设计过程中，需要以呈现最佳的施工效果作为设计目标，充分结合实际施工状况，全面掌握短肢剪力墙的特性与优势，并不断改善技术应用方式，才能切实提高短肢剪力墙的承载能力。首先工作人员需要认识到短肢剪力墙的结构相对复杂，需要根据外界影响因素对不同结构进行合理的选择，由于其抗侧力刚度低于普通剪力墙结构，因此在设计时需要布置一定数量的长墙，从而形成高刚度内筒，防止墙身出现大面积变形。其次应注意短肢剪力墙的抗震薄弱区域位于边缘脚部墙肢，当产生扭转效应时会进一步加剧翘曲变形，导致墙肢开裂，为此需要适当强化抗震构造，提高纵筋配筋率。最后要处理好周边墙肢容易开裂的问题，由于高层短肢剪力墙容易在水平力作用下出现整体弯曲变形现象，且底部外围墙肢所承受的竖向荷载较高，因此需要设计人员进一步提高配筋量，增大外围墙肢的厚度，提升墙肢的延性与抗震性能，使短肢剪力墙能够在两个方向上形成连接，以此避免“一字形”墙肢的产生。

2.1.1 力学设计

在力学设计方面除了要满足上述总体设计要求外，还要站在宏观角度合理把控短肢剪力墙性能，一方面在短肢剪力墙的应用中，竖向荷载以及风荷载、水平地震作用等其他因素都会对墙身产生一定的力学作用，所形成的的力学结构也较为复杂，不仅需要设计人员充分考虑结构的剪切力，还要准确计算结构偏心力与扭曲力。在设计时要预先制定降低扭曲力的有效对策，之后以此为基础，减小结构扭曲对结构造成的影响，实现宏观结构稳定。另一方面要依照刚度大小与短肢剪力墙肢长度成正比的设计原则，确保墙体长度满足结构设计要求，使墙体受力性能保持最大值，并注意节省原材料的使用，避免资金成本的过度支出，切实满足力学平衡标准，适当结合异形墙进行使用。

2.1.2 抗震设计

民用建筑在进行结构设计时需要充分考虑周边环境情况，要求设计人员预先做好施工环境信息采集，明确可能出现的地震等级以及地震频率，并分析民用建筑在地震状况下所出现的力学变化情况，确保民用建筑抗震性能够符合相关安全规范。在运用短肢剪力墙的过程中，要优先保证结构内部受力均匀，避免出现局部变形的情况，并注意短肢剪力墙所分担的底部倾覆力矩应当小于结构整体倾覆力矩的50%，之后通过提高竖向以及水平配筋率进一步提高结构的抗震性能。

此外短肢剪力墙的抗震设计还要满足以下要求：第一，当短肢剪力墙抗震等级被设定在一、二级时，需要确保底侧加强位置的厚度高于200mm。如图2 所示。而对于以一字型方式单独布置的墙体，则要保证底侧加强位置的厚度高于220mm。同时要注意在进行短肢剪力墙抗震设计的过程中，若抗震等级在三、四级时，截面厚度不可低于180mm，如果不存在抗震等级设定，墙体截面厚度也要高于160mm；第二，抗震等级为一级的墙体轴压比需要低于0.45，抗震等级为二级的墙体轴压比需要低于0.50，抗震等级为三级的墙体轴压比同样不可超过0.50。

图2 短肢剪力墙的抗震设计示意图

2.1.3 结构计算

第一，要计算水平地震作用的剪重比，需要设计人员明确民用建筑每层楼在承受地震力作用时都会出现不同的剪力值，需要依照以下公式进行水平地震剪力的计算。

其中Veki表示水平自振作用下i 上的剪力值，λ 则代表剪力系数，Gj表示在j 层产生的重力荷载值。为了确保民用建筑结构安全性满足相关标准，需要及时调整结构整体剪力，均匀分配地震倾覆力矩。第二，控制短肢剪力墙刚重比，如果结构刚重比过大，说明构件承载力未被完全利用，且材料的使用也不够合理，因此需要及时对墙、梁等受力构件面积进行削减。短肢剪力墙的刚重比计算公式为：

当刚重比数值高于1.4 则证明整体机构稳定性满足设计要求。第三，要控制好轴压比，轴压比是指墙、柱的轴压力设计值与墙、柱全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积的比值，能够反映墙、柱的真实受压状况，通过限制竖向承重构件的轴压比从而控制好结构的延性。第四，位移比控制，是指结构在受到地震力作用影响后结构的每一层都会出现一定程度的位移，但每层的位移量却不相同。这是因为结构每层所分配的地震力大小不一致，因此每层的刚度也各不相同。为了避免结构层间不同位移引发非受力构件破坏现象，需要严格控制好结构层间的水平位移，一方面工作人员要确保结构受力属于弹性受力，另一方面要保证结构构件完好无损。

除此之外，为了确保短肢剪力墙能够高效运用在民用建筑中还要做好技术的经济性分析，与传统的框剪结构与框架结构相比，短肢剪力墙结构的单位用钢量相对较高，大约在40～50kg/m2左右，但其优势在于室内空间利用率高，且单位用钢量比普通的剪力墙结构要少。为了避免成本资金的过度投入，在使用过程中需要设计人员确定短肢剪力墙的真实抗震等级，依照安全标准配置边缘构件，控制好结构的用钢量，充分凸显民用建筑的经济性。

2.2 配筋构造

首先要明确短肢剪力墙在建筑内的配筋要求，如表1 所示，其次要注意短肢剪力墙侧向高度低于一般剪力墙，以轴向力为主，弯矩为辅，其结构与异形框架柱基本一致，因此同样需要在设计过程中适当提高边缘构件的配筋强度(如图3所示)，设计人员在设计过程中可预先利用抗振动台进行地震模拟，之后根据实际结果进行短肢剪力墙结构抗震性能分析。经过分析实验可知在地震作用下短肢剪力墙容易出现扭转效应，且结构变形以整体形式为主，底侧小墙肢与连梁都是抗震的薄弱区域。此外，在短肢剪力墙结构中由于墙肢刚度较低，会导致连梁被剪切破坏的几率进一步提高，为此需要在设计过程中针对薄弱环节进行抗震构造的强化。比如适当提高短肢剪力墙纵向钢筋配筋率，并注意底部加强位置不应超过1.2%，其余部分需高于1.0%，而墙肢脚部钢配筋则需控制在“0.2×墙肢长”的长度范围内。

表1 短肢剪力墙在建筑内的配筋要求

图3 短肢剪力墙边缘构件示意图

2.3 连梁设计

连梁两侧需要与短肢剪力墙相连，且梁跨度与高度比应小于5。首先要计算连梁的正截面承载力，确保连梁能够最先屈服，适当折减连梁弯矩，通常折减值会控制在20%左右。之后要进行连梁的配筋设计，连梁在承受弯矩时所形成的抗弯承载力可依照框架梁的验算方法进行验算，其对称配筋公式为：

M≤1/YrefuAi(ho-ar)

其中M 代表连梁正截面弯矩设计值，fu代表纵向钢筋抗拉强度设计值，Ai表示纵向受拉钢筋总截面面积，ho表示连梁截面有效高度，Yre代表承载力抗震调整系数，ar表示连梁正截面受压区高度。其次要计算连梁截面规格，为了避免在设计连梁结构过程中出现斜压破坏，需要使其比普通受弯构件的截面更大，其规格计算方法为：

Vb≤0.25βffubeho

其中Vb代表连梁剪力调整后的设计值，be代表连梁截面宽度，ho代表连梁截面有效高度，βf代表混凝土强度影响系数。此外还要注意若连梁出现破坏但承载力却未出现大幅度变化，需要及时进行受力分析，将其看做独立的构件进行抗震性能检测，并确定跨高比小于1.5 连梁纵向钢筋的最小配筋率与连梁纵向钢筋的最大配筋率。如表2、表3 所示。

表2 跨高比小于1.5 连梁纵向钢筋的最小配筋率

表3 连梁纵向钢筋的最大配筋率

3 结论

综上所述，通过对短肢剪力墙的特征、优势、计算方法、布置原则进行分析讨论，提出将其运用在民用建筑结构设计中的有效路径，以此强化民用建筑的结构稳定性，实现承载力的均匀分布，避免出现结构异常变形现象，切实提高设计质量与建筑安全性。