框支剪力墻結(jié)構(gòu)中的短肢剪力墻的設(shè)計分析

關(guān)鍵詞：剪力墻；結(jié)構(gòu)；設(shè)計 

　　1、前言 

　　進入21世紀(jì)以來，我國建筑行業(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)計和技術(shù)工作開展的較好。對小高層建筑，根據(jù)我國建筑行業(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，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，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，上下對齊要求高，且施工困難，造價較高。針對這一問題，經(jīng)過不斷的實踐及改進，以剪力墻為基礎(chǔ)，并吸取框架的優(yōu)點，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)計問題做分析。 

　　2、框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的特點 

　　2.1 短肢剪力墻特點 

　　短肢剪力墻，它仍屬于剪力墻結(jié)構(gòu)體系，只是肢長較短。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�。▓D1）。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，這一點在后面的實例計算中將會有明顯反映。 

　　2.2 框支剪力墻結(jié)構(gòu)中的短肢剪力墻特點 

　　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，主要表現(xiàn)在以下幾方面： 

　　2.2.1 在對剪力墻的支承形式上“框支”與“梁抬”并存。由于墻肢長較短，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)計計算變得非常重要。 

　　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)�？蛑Ф讨�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)計時予以適當(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)計要點分析 

　　3.1 框支剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則 

　　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，特別是在抗震設(shè)防地區(qū)采用時，結(jié)構(gòu)設(shè)計需遵循如下原則： 

　　1）減少轉(zhuǎn)換。 

　　2）傳力直接。 

　　3）強化下部、弱化上部。 

　　4）優(yōu)化轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。 

　　5）計算全面準(zhǔn)確。 

　　3.2 框支梁設(shè)計 

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計時，轉(zhuǎn)換梁斷面一般宜由剪壓比控制計算確定，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 

　　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 

　　落地剪力墻、簡體宜均勻設(shè)置，落地剪力墻、筒體斷面一般由其軸壓比計算確定。 

　　落地剪力墻、簡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 

　　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，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)、落地簡體外周樓板不宜開大洞。 

　　4.1 現(xiàn)有剪切剛度比計算公式的缺陷 

　　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，剛度突變部位易形成應(yīng)力集中，同時底層過于柔性會導(dǎo)致側(cè)向變形過大，而框支柱不能忍受過大變形，對抗震非常不利。因此，規(guī)范規(guī)定，對底層大空間剪力墻結(jié)構(gòu)必須驗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)計時，不應(yīng)大于3，抗震設(shè)計時不應(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。 

　　上式中對框支柱抗剪面積Ac所乘的0.12是一個統(tǒng)計數(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。對框支短肢剪力墻結(jié)構(gòu)而言，單個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)時候，整個結(jié)構(gòu)的動力分析可視為一連串豎向質(zhì)點的水平振動（圖2）。剪切剛度比的實際意義在于表達(dá)樓層抗側(cè)剛度的比值，只是為了工程驗算方便，才在規(guī)范中采用了簡化的計算方式。實際上，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，即使是對普通大空間框支剪力墻結(jié)構(gòu)，剪切剛度比的計算方法也是不準(zhǔn)確的。 

　　2008版的建筑抗震設(shè)計規(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。 

　　這里討論一種簡化的計算方法。如圖2所示，當(dāng)樓層采用平面內(nèi)剛性無窮大假定后，樓層簡化為一質(zhì)點。從簡化的角度考慮，完全可以在計算軟件中將這一層單獨提出，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計算其在兩個方向的等效側(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，因為首層商業(yè)功能的需要，上部需要轉(zhuǎn)換的墻肢比較多。底部加強部位剪力墻及框支柱抗震等級為二級，底部加強部位以上標(biāo)準(zhǔn)層剪力墻抗震等級為三級，短肢剪力墻抗震等級為二級。 

　　5.1 鋼筋混凝土剪力墻住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計 

　　墻肢結(jié)構(gòu)設(shè)計按照抗震設(shè)計要求，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�？拐鹪O(shè)計時，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比一般剪力墻抗震等級提高一級采用。其軸壓比不大于0.6。 

　　5.2 本工程實例結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計及構(gòu)造措施 

　　5.2.1 梁、板的設(shè)計 

　　本工程梁、板受力均按線彈性方法計算，考慮活荷載不利布置，與土壤接觸的梁、板按計算彎矩、剪力及0.2mm裂縫寬度共同控制配筋，其余樓板按照計算彎矩、剪力及0.3mm裂縫寬度共同控制配筋，地下室為超長結(jié)構(gòu)，除設(shè)置了后澆帶外，其梁、板同時考慮了溫度應(yīng)力的作用。樓板厚度主要設(shè)計為100mm厚，對大跨度樓板根據(jù)跨度加厚樓板至120m-150rm，對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)計為180m厚，轉(zhuǎn)換層上部第一個標(biāo)準(zhǔn)層樓板設(shè)計為120mm，其余層電梯前室因為結(jié)構(gòu)加強及預(yù)埋線管的原因，樓板厚度設(shè)計為150mm，屋頂樓板為120mm，這幾處均做了重點加強，采用雙層雙向配筋。梁的配筋率控制在0.45%～2.2%之間，對剪力墻開洞形成的跨高比小于5的梁按連梁設(shè)計，當(dāng)跨高比大于等于5時，按框架梁進行設(shè)計。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、板的混凝土強度等級低于柱、剪力墻混凝土強度等級12個級別，這樣既減少了溫度裂縫又節(jié)省了混凝土造價，同時構(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 

　　短肢剪力墻在二至四層為轉(zhuǎn)換層上部的加強部位，抗震等級按提高一級做加強處理措施，墻厚加厚至250mm-300mm，軸壓比控制在0.5以下，對約束邊緣構(gòu)件及墻身的配筋做了一定的加強。四層以上按抗震等級三級短肢剪力墻要求設(shè)計，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，對角窗部位的剪力墻及邊緣構(gòu)件也做了特別的加強。 

　　5.2.3 框支框架、框支剪力墻設(shè)計 

　　通過計算分析結(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�？蛑е�、梁截面配筋設(shè)計時比較TAT分析結(jié)果和SATWE分析結(jié)果，偏安全地取大值�？蛑е�、框支梁的抗震等級均提高至二級，本著“強剪弱彎”的原則，所有框支梁均采用φ12@100四肢箍全長加密。為實現(xiàn)“強柱弱梁，更強節(jié)點”的抗震設(shè)計目標(biāo)，按二級抗震要求驗算框架節(jié)點。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較大的計算結(jié)果做為設(shè)計依據(jù)，并適當(dāng)放大加強。 

　　6、結(jié)語 

　　對于層數(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)計時不僅要求整體結(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)該重點考慮轉(zhuǎn)換層布置。對于平面不規(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，應(yīng)強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，加強結(jié)構(gòu)的抗扭性能。