摘要：隨著我國(guó)建筑水平的提高和發(fā)展，框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)因?yàn)榫哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn)在高層建筑中的應(yīng)用變得日益頻繁，但目前該方法的相關(guān)理論分析還做得不夠，本文即對(duì)該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題做了簡(jiǎn)要分析。
關(guān)鍵詞：剪力墻；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào)：TU378.4
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
文章編號(hào)：1008-0422（2014）02-0104-02
1、前言
進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國(guó)建筑行業(yè)發(fā)展迅速，尤其在高層建筑方面，應(yīng)為使用較多，相關(guān)的設(shè)計(jì)和技術(shù)工作開展的較好。對(duì)小高層建筑，根據(jù)我國(guó)建筑行業(yè)的規(guī)律，一般采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。根據(jù)其平面特點(diǎn)，通常都利用中部豎向交通區(qū)設(shè)置較多的剪力墻，組成一個(gè)較完整或基本完整的核心筒體，而在外圍部分則有框架和剪力墻兩種選擇，各有利弊�？蚣懿贾渺`活，施工方便，但因各住戶房間大小不一，位置交錯(cuò)，難以形成規(guī)則的柱網(wǎng)，抗側(cè)性能較差；剪力墻側(cè)向剛度大，沿房間分隔布置可與建筑平面較好配合，但靈活性差，上下對(duì)齊要求高，且施工困難，造價(jià)較高。針對(duì)這一問題，經(jīng)過不斷的實(shí)踐及改進(jìn)，以剪力墻為基礎(chǔ)，并吸取框架的優(yōu)點(diǎn)，逐步發(fā)展成一種比較能適應(yīng)這種小高層住宅建筑的結(jié)構(gòu)體系，即“短肢剪力墻”結(jié)構(gòu)體系，目前已得到廣泛應(yīng)用，本文就框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題做分析。
2、框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)
2.1 短肢剪力墻特點(diǎn)
短肢剪力墻，它仍屬于剪力墻結(jié)構(gòu)體系，只是肢長(zhǎng)較短。短肢剪力墻截面形式更為多樣，通常有T形，L形，I形，z形，偶爾也會(huì)出現(xiàn)+形或一形。其在結(jié)構(gòu)布置方面靈活性及可調(diào)整性大，墻數(shù)量可多可少，墻肢可長(zhǎng)可短，還可通過不同的尺寸和布置未調(diào)整層剪切中心的位置，故不難得出合理的結(jié)構(gòu)方案。就抗側(cè)性能而言，短肢剪力墻介于普通剪力墻和框架之間，其側(cè)向位移曲線仍為彎曲型，但曲率較普通剪力墻小（圖1）。此外，短肢剪力墻一筒體結(jié)構(gòu)的受力性能與框架一筒結(jié)構(gòu)相比有較大不同，由于墻本身的抗側(cè)能力，樓層剪力并非主要由核心筒承擔(dān)，而是趨向于均勻分布，這一點(diǎn)在后面的實(shí)例計(jì)算中將會(huì)有明顯反映。
2.2 框支剪力墻結(jié)構(gòu)中的短肢剪力墻特點(diǎn)
框支剪力墻結(jié)構(gòu)中的短肢剪力墻在具體結(jié)構(gòu)形式上，則有鮮明的自身特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾方面：
2.2.1 在對(duì)剪力墻的支承形式上“框支”與“梁抬”并存。由于墻肢長(zhǎng)較短，數(shù)量多，不可避免要出現(xiàn)某些墻肢與框支柱完全不沾邊，直接支承在梁上的情況，工程上稱為“拾梁”，這使得框支梁的設(shè)計(jì)計(jì)算變得非常重要。
2.2.2 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)一般采用深梁轉(zhuǎn)換，由于短肢剪力墻截面形式多樣，很多時(shí)候出現(xiàn)主次梁共同支承上部墻肢，甚至次梁支承再向主梁傳遞的情況，傳力體系更加復(fù)雜。
2.2.3 框支剪力墻結(jié)構(gòu)一般在轉(zhuǎn)換層上下剛度變化較大，成為薄弱環(huán)節(jié)。框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)墻肢短，往往與下層框支柱截面相差不多，若在設(shè)計(jì)時(shí)予以適當(dāng)控制，剛度突變情況可得到改善。
3、框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析
3.1 框支剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則
帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)是一受力復(fù)雜、不利抗震的高層建筑結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)，特別是在抗震設(shè)防地區(qū)采用時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需遵循如下原則：
1）減少轉(zhuǎn)換。
2）傳力直接。
3）強(qiáng)化下部、弱化上部。
4）優(yōu)化轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。
5）計(jì)算全面準(zhǔn)確。
3.2 框支梁設(shè)計(jì)
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)換梁斷面一般宜由剪壓比控制計(jì)算確定，有合適的含箍率，以避免脆性破壞。
1）框支梁斷面確定：框支梁寬不宜小于2倍上部框支墻厚度，且不宜小于400mm，框支梁梁高不應(yīng)小于梁跨度的1/6。
2）框支梁不宜開洞。
3）框支梁上部縱筋至少50%沿梁全長(zhǎng)貫通，下部縱筋全部直通柱內(nèi)，并沿梁高設(shè)直徑大于16及間距不大于200的腰筋。
3.3 框支柱設(shè)計(jì)
框支柱斷面一般由其軸壓比確定。由于剪力墻在轉(zhuǎn)換層處部分終斷。必須保證下部框支柱的抗剪能力，限制軸壓比。
3.4 落地剪力墻設(shè)計(jì)
落地剪力墻、簡(jiǎn)體宜均勻設(shè)置，落地剪力墻、筒體斷面一般由其軸壓比計(jì)算確定。
落地剪力墻、簡(jiǎn)體斷面尚需滿足適宜剪壓比限值要求，以避免脆性破壞。
3.5 上部剪力墻設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上部剪力墻與轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)協(xié)同工作，可視作一個(gè)層層受樓板約束、受相連墻、連梁空間約束的平面開洞薄梁，它與轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)一起整體協(xié)同工作承受重力荷載、水平荷載。上部剪力墻及其連梁尤其是轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上層剪力墻及其連梁受力復(fù)雜、應(yīng)力比較集中。上部剪力墻布置時(shí)，應(yīng)注意其整體空間完整性和延性，注意外墻盡量設(shè)置轉(zhuǎn)角翼緣，注意門窗洞口盡量居于轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)跨中，應(yīng)盡量避免無連梁相連的延性較差的禿頭墻。
3.6 樓板
轉(zhuǎn)換層樓板厚度不宜小于150mm，相鄰轉(zhuǎn)換層上部1～2層樓板厚度不宜小于120mm，且落地剪力墻內(nèi)側(cè)、落地簡(jiǎn)體外周樓板不宜開大洞。
4、框支轉(zhuǎn)換層上下的剛度變化分析
4.1 現(xiàn)有剪切剛度比計(jì)算公式的缺陷
傳統(tǒng)框支剪力墻結(jié)構(gòu)由于上層剪力墻的剛度遠(yuǎn)大于下層框支柱，往往在轉(zhuǎn)換層上下造成側(cè)向剛度突變。在地震時(shí)，剛度突變部位易形成應(yīng)力集中，同時(shí)底層過于柔性會(huì)導(dǎo)致側(cè)向變形過大，而框支柱不能忍受過大變形，對(duì)抗震非常不利。因此，規(guī)范規(guī)定，對(duì)底層大空間剪力墻結(jié)構(gòu)必須驗(yàn)算上下層剪切剛度比Y（式3-1），上下層剛度比宜接近于1，非抗震設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)大于3，抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)大于2。
式中Gi、Gi+1――第i層、第i+l層的混凝土剪變模量；
Ai、Ai+1――第i層、第i+l層的混凝土剪變模量； Aw――在所計(jì)算的方向上，剪力墻全部有效截面面積；
Ac―全部柱截面面積；
hi、hi+1第i層、第i+l層層高。
上式中對(duì)框支柱抗剪面積Ac所乘的0.12是一個(gè)統(tǒng)計(jì)數(shù)值，主要考慮到柱面積分布較為分散，截面性矩遠(yuǎn)小于剪力墻。對(duì)框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)而言，單個(gè)墻肢截面面積與下層框支截面面積相差不多，減去落地核心筒剪力墻面積后，Aw與Ac也相差不多。
4.2 直接采用樓層側(cè)向剛度比控制
建筑物的質(zhì)量主要集中于樓層外，大多數(shù)時(shí)候，整個(gè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析可視為一連串豎向質(zhì)點(diǎn)的水平振動(dòng)（圖2）。剪切剛度比的實(shí)際意義在于表達(dá)樓層抗側(cè)剛度的比值，只是為了工程驗(yàn)算方便，才在規(guī)范中采用了簡(jiǎn)化的計(jì)算方式。實(shí)際上，樓層的抗側(cè)剛度在x向和Y向是不同的，應(yīng)分開考慮，因此，即使是對(duì)普通大空間框支剪力墻結(jié)構(gòu)，剪切剛度比的計(jì)算方法也是不準(zhǔn)確的。
2008版的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定，“矩形平面的部分框支抗震結(jié)構(gòu)，其框支層的樓層側(cè)向剛度不應(yīng)小于相鄰非框支樓層側(cè)向剛度的50%”。樓層側(cè)向剛度的計(jì)算較為復(fù)雜，需要考慮彎曲、剪切和軸向變形的綜合效應(yīng)。對(duì)于體型較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，由于存在各桿之間的協(xié)同作用以及平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)，計(jì)算側(cè)向剛度已必須借助電算，考慮空間協(xié)同作用。而縱觀目前常用的各設(shè)計(jì)軟件，還未見到有側(cè)向剛度數(shù)據(jù)直接輸出。
這里討論一種簡(jiǎn)化的計(jì)算方法。如圖2所示，當(dāng)樓層采用平面內(nèi)剛性無窮大假定后，樓層簡(jiǎn)化為一質(zhì)點(diǎn)。從簡(jiǎn)化的角度考慮，完全可以在計(jì)算軟件中將這一層單獨(dú)提出，于剪切中心處施加一水平力F，求出其相應(yīng)位移△，而后按式3-2計(jì)算其在兩個(gè)方向的等效側(cè)向剛度日，該值比剪切剛度比更能反映結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力，且容易求得。在后文的計(jì)算中便采用了這一方法。
式中EIx，Ely樓層在x向和Y向的等效抗側(cè)剛度；
FX，F(xiàn)y施加于樓層剪切中心處的單位水平力；
△x，△y樓層在單位水平力作用下產(chǎn)生的整體水平位移。
5、工程實(shí)例分析
某工程屬于復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)中帶轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)類型，轉(zhuǎn)換層在首層，因?yàn)槭讓由虡I(yè)功能的需要，上部需要轉(zhuǎn)換的墻肢比較多。底部加強(qiáng)部位剪力墻及框支柱抗震等級(jí)為二級(jí)，底部加強(qiáng)部位以上標(biāo)準(zhǔn)層剪力墻抗震等級(jí)為三級(jí)，短肢剪力墻抗震等級(jí)為二級(jí)。
5.1 鋼筋混凝土剪力墻住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
墻肢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照抗震設(shè)計(jì)要求，結(jié)合建筑平面布置在窗間墻及房間四角等布置成L形、T形或十字形短肢剪力墻和一般剪力墻。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度主要取決于各墻肢剛度以及墻肢總量，墻肢太短或墻壁率太小，則結(jié)構(gòu)剛度小，水平地震作用下位移偏大，影響承載力、穩(wěn)定性和正常使用。反之，結(jié)構(gòu)剛度偏大，地震作用大，構(gòu)件配筋增大甚至超筋，形成浪費(fèi)�？拐鹪O(shè)計(jì)時(shí)，筒體和一般剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩不小于結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩的50%。短肢剪力墻抗震等級(jí)比一般剪力墻抗震等級(jí)提高一級(jí)采用。其軸壓比不大于0.6。
5.2 本工程實(shí)例結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)及構(gòu)造措施
5.2.1 梁、板的設(shè)計(jì)
本工程梁、板受力均按線彈性方法計(jì)算，考慮活荷載不利布置，與土壤接觸的梁、板按計(jì)算彎矩、剪力及0.2mm裂縫寬度共同控制配筋，其余樓板按照計(jì)算彎矩、剪力及0.3mm裂縫寬度共同控制配筋，地下室為超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，除設(shè)置了后澆帶外，其梁、板同時(shí)考慮了溫度應(yīng)力的作用。樓板厚度主要設(shè)計(jì)為100mm厚，對(duì)大跨度樓板根據(jù)跨度加厚樓板至120m-150rm，對(duì)6.0×6.0m間隔的大板，在板面無負(fù)筋的區(qū)域另加φ8@200雙向鋼筋網(wǎng)與板負(fù)筋搭接連結(jié)。首層（轉(zhuǎn)換層）頂板設(shè)計(jì)為180m厚，轉(zhuǎn)換層上部第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層樓板設(shè)計(jì)為120mm，其余層電梯前室因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)加強(qiáng)及預(yù)埋線管的原因，樓板厚度設(shè)計(jì)為150mm，屋頂樓板為120mm，這幾處均做了重點(diǎn)加強(qiáng)，采用雙層雙向配筋。梁的配筋率控制在0.45%～2.2%之間，對(duì)剪力墻開洞形成的跨高比小于5的梁按連梁設(shè)計(jì)，當(dāng)跨高比大于等于5時(shí)，按框架梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。為減少梁、板結(jié)構(gòu)因混凝土水化熱而產(chǎn)生的溫度裂縫，采用梁、板的混凝土強(qiáng)度等級(jí)低于柱、剪力墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)12個(gè)級(jí)別，這樣既減少了溫度裂縫又節(jié)省了混凝土造價(jià)，同時(shí)構(gòu)造配筋也減小了，降低了含鋼量，取得了一舉多得的效果。
5.2.2 短肢剪力墻設(shè)計(jì)
短肢剪力墻在二至四層為轉(zhuǎn)換層上部的加強(qiáng)部位，抗震等級(jí)按提高一級(jí)做加強(qiáng)處理措施，墻厚加厚至250mm-300mm，軸壓比控制在0.5以下，對(duì)約束邊緣構(gòu)件及墻身的配筋做了一定的加強(qiáng)。四層以上按抗震等級(jí)三級(jí)短肢剪力墻要求設(shè)計(jì)，墻厚減薄至200mm一250mm，軸壓比控制在0.6以下，其構(gòu)造邊緣構(gòu)件縱筋按0.8%控制，箍筋的配箍特征值按0.1控制。為了增加結(jié)構(gòu)整體扭轉(zhuǎn)剛度，減少扭轉(zhuǎn)變形，對(duì)角窗部位的剪力墻及邊緣構(gòu)件也做了特別的加強(qiáng)。
5.2.3 框支框架、框支剪力墻設(shè)計(jì)
通過計(jì)算分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，框支柱頂及框支梁均出現(xiàn)較嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，說明此處最容易破壞，需要加強(qiáng)。框支柱、梁截面配筋設(shè)計(jì)時(shí)比較TAT分析結(jié)果和SATWE分析結(jié)果，偏安全地取大值。框支柱、框支梁的抗震等級(jí)均提高至二級(jí)，本著“強(qiáng)剪弱彎”的原則，所有框支梁均采用φ12@100四肢箍全長(zhǎng)加密。為實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁，更強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)，按二級(jí)抗震要求驗(yàn)算框架節(jié)點(diǎn)。轉(zhuǎn)換層之上的三層剪力墻，由于結(jié)構(gòu)剛度突變，引起內(nèi)力集中，墻肢和連梁配筋以SATWE和TAT較大的計(jì)算結(jié)果做為設(shè)計(jì)依據(jù)，并適當(dāng)放大加強(qiáng)。
6、結(jié)語(yǔ)
對(duì)于層數(shù)不超過18層，高度小于50m的小高層建筑而言，框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換層的梁柱板截面尺寸取值較大，具有足夠剛度，且上部結(jié)構(gòu)樓層質(zhì)量中心與剪切中心相差不大的前提下，其轉(zhuǎn)換層工作狀態(tài)是穩(wěn)定可靠的。但框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是抗震不利的結(jié)構(gòu)體系。設(shè)計(jì)時(shí)不僅要求整體結(jié)構(gòu)的平面布置合理、豎向布置合理、周期位移控制合理還應(yīng)該重點(diǎn)考慮轉(zhuǎn)換層布置。對(duì)于平面不規(guī)則的框支剪力墻結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)平面和豎向剛度分布不均勻，往往形成中間側(cè)向剛度大，周邊側(cè)向剛度小，造成結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，故在控制好轉(zhuǎn)換層上、下側(cè)向剛度的同時(shí)，應(yīng)強(qiáng)化角部的剪力墻及柱剛度，弱化中間部分的剪力墻及柱剛度，使整體結(jié)構(gòu)滿足周期比、位移比要求，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭性能。
