摘要：短肢剪力墻結構是介于框架一剪力墻結構和一般剪力墻結構之間的一種結構形式，其抗震薄弱環(huán)節(jié)是建筑平面外邊緣及角點處的墻肢、“一字形”短肢剪力墻及連梁。文章以桌住宅樓工程為例探討了短肢剪力墻的結構設計。
關鍵詞：短肢剪力墻；結構設計；結構剛度；概念設計
近年來，隨著經(jīng)濟發(fā)展和生活水平的提高，人們對住宅，特別是高層住宅平面與空間的要求也越來越高。若采用框架結構，往往因柱楞突出隔墻，妨礙美觀，影響使用效果。若采用一般剪力墻結構，雖無柱體外凸的缺點，但對于底部有停車場等公共設施的情況則矛盾很大，滿足不了建筑的使用功能。而且，對于房屋高度不太大的小高層建筑，采用剪力墻結構會造成剛度過大，重量增加，導致地震反應過強，使得上部結構和基礎造價提高。所以說，對于小高層建筑，一般剪力墻結構體系也不是一種理想的設計方案。為了避免上述缺陷，以一般剪力墻結構為基礎，吸取框架結構的優(yōu)點，使結構剛度調整到適宜，由此形成了一種結構體系――“短肢”剪力墻結構體系。短肢剪力墻結構是指墻肢截面高度為厚度5～8倍的剪力墻結構，常用的有“T”字型、“L”型、“十”字型及少量的“一”字型。和一般剪力墻相比，這種結構型式的優(yōu)點在于：
1 墻肢較短，布置靈活，可調整性大，容易滿足建筑平面的要求。
2 減少了剪力墻而代之以輕質砌體，結構自重相應減輕，從而減小結構整體剛度，增大振動周期，降低地震作用力。
3 墻肢高寬比較大，延性較好，對抗震有利。
4 連梁跨高比較大，以受彎破壞為主，地震作用下首先在弱連梁兩端出現(xiàn)塑性鉸，能起到很好的耗能作用。
5 墻肢的承載力得到了較充分的發(fā)揮。
目前，《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》JGJ3-2002已對短肢剪力墻結構的設計作出了規(guī)定�，F(xiàn)以某小區(qū)一棟小高層住宅為例，介紹一下短肢剪力墻結構的設計情況。
一、工程概況
某工程3#樓，是1棟小高層帶電梯的住宅樓，總建筑面積約1.02萬m2，房屋總高度31.8m。主樓共10層，平面尺寸為45.6m×22m，其中架空層一層，層高4.8m，作車庫使用；地上9層為住宅標準層，層高3m；局部突出屋面部分為電梯機房。裙樓為外擴地下室，也作車庫使用，平面尺寸為45.6m×18m，層高3.3m，頂板面比主樓1層樓面低1.5m。
本工程建筑結構的安全等級為二級，抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0.05g，設計地震分組為第一組，地面粗糙度為B類，基本風壓值取0.35kN/m2，場地土類別為Ⅱ類，屬抗震有利地段。
二、上部結構體系
本工程的平面體型較為復雜，住宅層結構平面Y向一側凹進的尺寸為10.8m，為Y向總尺寸的49.1％，大于30％，按《建筑抗震設計規(guī)范》GB50011-2001第3.4.2條，屬平面不規(guī)則類型。加上主、裙樓高差較大，地下室外擴部分面積也較大，故本工程設置了兩道防震縫，將上部結構劃分為三個較規(guī)則的抗側力結構單元，即主樓為兩個結構單元(完全相同)，裙樓為1個結構單元。其中，主樓結構單元局部高差較大部分采用后澆帶處理。
由于業(yè)主要求承重構件不能突出墻面，且架空層要盡量滿足停車位的需要，根據(jù)房屋高度，決定主樓采用短肢剪力墻結構。主樓10層，屬于高層建筑，剪力墻抗震等級按JG]3-2002第4.8.2條應定為四級，但由于是短肢剪力墻，根據(jù)JGJ3-2002第7.1.2條，決定按三級進行設計。裙樓采用框架結構，框架抗震等級為四級。
三、主樓上部結構抗震計算結果分析
(一)主要結構構件
剪力墻截面厚度同相鄰砌體填充墻厚度：四周外墻肢肢厚240mm，內墻肢肢厚200mm；但無端柱的一字形短墻肢除外：底層肢厚300mm，其余肢厚240mm。剪力墻砼強度等級2層以下為C35，3層以上為C25梁、板的砼強度等級均為C25。主要連梁的尺寸多為240×500mm，核心筒處樓板的厚度為200mm，頂層樓板厚度為120mm。
有別于肢長肢厚比不大于4.0的異形柱，短肢剪力墻的肢長肢厚比按規(guī)范要求控制在5～8范圍內，一般剪力墻的肢長肢厚比均大于8。值得注意的是，對肢長肢厚比為4～5范圍內的墻肢，目前規(guī)范尚無明確條文規(guī)定其構件類型，故設計時建議不要采用。
(二)計算結果分析
從構件力學特性上來說，短肢剪力墻的肢長與肢厚比≥5.0，更接近于剪力墻，故計算時將短肢剪力墻作為剪力墻而不是柱考慮應更合理。因此，結構整體計算采用中國建筑科學研究院開發(fā)的SATWE程序(2003年版)進行。SATWE采用的是在每個節(jié)點有六個自由度的殼元基礎上凝聚而成的墻元模擬剪力墻，墻元不僅具有平面內剛度也具有平面外剛度，可以較好地模擬工程中剪力墻的真實受力狀態(tài)，計算結果較精確；同時，對樓板SATWE可以考慮其彈性變形。
雖然主樓結構平面較規(guī)則，立面也無剛度突變現(xiàn)象，但由于剛度較大的電梯井處筒體有點偏置，會產(chǎn)生扭轉的影響，為了計算準確，地震作用計算考慮了結構的扭轉耦聯(lián)和5％偶然偏心的影響，取了9個振型計算。
1 自振周期的控制�？紤]扭轉耦聯(lián)時的自振周期(計算時自振周期折減系數(shù)取0.8)如表1所示。從表1可得，結構扭轉為主的第一自振周期T3=0.7233s，平動為主的第一自振周期Tl=1.0532s，T3／T1=0.687<0.9，滿足JGJ3-2002第4.3.5條的規(guī)定。
2 結構位移的控制。最大層間位移角(應≤1／1000)、最大水平位移與層平均位移的比值(不宜大于1.2，不應大于1.5)及最大層間位移與平均層間位移的比值(不宜大于1.2，不應大于1.5)見表2，從中可以看出結構在風荷載和地震作用下的位移均能很好地滿足規(guī)范限值。
3 樓層最小地震剪力的控制。GB50011-2001及JGJ3-2002規(guī)范中，均沒有對6度設防烈度區(qū)的樓層最小地震剪力系數(shù)值作限制，故本工程不予考慮。
4 短肢剪力墻與一般剪力墻剛度比的控制。短肢剪力墻及一般剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩見表3。由表中數(shù)據(jù)可見，本工程一般剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩小于結構總底部地震傾覆力矩的50％，滿足JGJ3-2002規(guī)范第7.1.2條的規(guī)定。
四、結構設計的主要技術措施
(一)短肢剪力墻設計
為了保證結構有足夠的抗側剛度，設計中將電梯井道與樓梯間的剪力墻形成本結構的核心筒，其余剪力墻采用短肢剪力墻通過連梁連接，形成了具有一定抗側力的短肢剪力墻 結構體系。根據(jù)短肢剪力墻結構的特點：地震作用下的抗扭能力較弱，因此，本工程設計中將一般剪力墻布置在建筑四角處，短墻肢盡量均勻對稱布置，以減小水平力作用下的扭轉效應，且短墻肢絕大多數(shù)在兩個方向有連接，即截面型式多采用L、T型。少量短墻肢由于建筑需要采用了一字型，為了減少剪力墻平面外彎矩，設計時盡量不布置與之垂直相交的大跨度單側樓面梁，避免不了的墻肢，盡量設端柱。短肢剪力墻的肢長肢厚比按規(guī)范要求控制在5～8范圍內，并且保證每一段墻肢長度不小于1.2m。另外，對短肢剪力墻的軸壓比均控制在0.6以內，短肢剪力墻截面的全部縱向鋼筋的配筋率均大于1.2％。由于短肢剪力墻的肢長較短，故截面配筋型式參照異形柱(如圖1所示)，縱向鋼筋間距不大于200mm，箍筋肢距不大于300mm，箍筋間距100mm。
(二)連梁設計
本工程中，由于剪力墻數(shù)量較多，且比較分散，布置均勻，墻肢較短，各片剪力墻之間抗側剛度相差不大，在水平力作用下，每片剪力墻受力較均勻因此，構成剪力墻壁的主要構件連梁無超筋現(xiàn)象�？绺弑�≥5的連梁按框架梁進行設計(頂層處按連梁的構造要求配筋)，其余連梁按JGJ3-2002中第7.2.26條的規(guī)定設計。為保證樓層處的梁連成一個整體，框架粱、連梁及暗梁設有一定數(shù)量的縱向鋼筋拉通。
(三)樓板設計
由于核心筒處的樓板受到電梯井及樓梯開洞的削弱，使得核心筒上下兩部分平面的連接較為薄弱，故與建筑專業(yè)協(xié)商，要求該部分樓板的連接寬度不小于5m，并在設計時加厚為200mm，配雙層雙向通長筋φ12@200。為加強建筑物的頂部約束，提高抗風、抗震能力，頂層樓板加厚為120mm。
五、短肢剪力墻結構的抗震薄弱環(huán)節(jié)及概念設計
短肢剪力墻結構是介于框架一剪力墻結構和一般剪力墻結構之間的一種結構形式，其抗震薄弱環(huán)節(jié)是建筑平面外邊緣及角點處的墻肢、“一字形”短肢剪力墻及連梁。當有扭轉效應時，建筑平面外邊緣及角點處的墻肢會首先開裂；在地震作用下，高層短肢剪力墻結構將以整體彎曲變形為主，短肢剪力墻因截面面積小且承受較大的豎向荷載，破壞嚴重，尤其“一字形”小墻肢破壞最嚴重；在短肢剪力墻結構中，由于墻肢剛度相對減小，連接短肢剪力墻間的連梁已類似普通框架梁，其受剪破壞的可能性增加。因此，在短肢剪力墻結構設計中，對這些薄弱環(huán)節(jié)，應加強概念設計和抗震構造措施。例如，短肢剪力墻在平面上分布要力求均勻，必要時可用一般剪力墻來調整剛度中心，使剛度中心盡量接近建筑物質心，以減小扭轉效應；由于短肢剪力墻的抗側移剛度相對較小，故設計時應盡量利用電梯、樓梯間來形成一個核心筒，確保結構有足夠的剛度，共同抵抗水平力；核心筒作為主要抗側力構件時，設計中應保證核心筒與其外圍結構的連接區(qū)域可靠；短肢剪力墻的最小截面厚度要滿足規(guī)范要求的200mm。適當增加建筑平面外邊緣及角點處的墻肢厚度及長度，嚴格控制短肢剪力墻截面的軸壓比不超過規(guī)范要求，并加強短肢剪力墻(尤其是底部)的配筋，以提高墻肢的抗扭剛度、承載力和延性；短肢剪力墻截面小，壁薄，平面外穩(wěn)定性差，故宜在兩個方向均有梁與之拉結，連梁宜布置在各肢的平面內，避免采用“一字形”墻肢，否則應采取加大配筋、減小軸壓比、設置端柱等加強措施；高層結構中連梁是―個耗能構件，連梁的剪切破壞會使結構的延性降低，對抗震不利，故連梁設計中應按“強剪弱彎”的原則進行，如對跨高比≥15的連梁應按框架梁進行設計，以保證連梁的受彎屈服先于剪切破壞。
六、結語
作為剪力墻結構體系的分支，短肢剪力墻結構由于結構布置方面的靈活性和可調整性，使其各項技術經(jīng)濟指標均較一般剪力墻結構理想，因而，在小高層住宅樓結構設計中已被廣泛采用。設計短肢剪力墻結構時，應區(qū)別于一般剪力墻結構，多結合住宅特點，使結構剛柔適中，并運用抗震概念設計的原則，采取有效的抗震措施，注重細部設計，從而做到結構設計安全、經(jīng)濟、適用。
參考文獻
[1]高層建筑混凝土結構技術規(guī)程(JGJ3-2002)[S]
[2]建筑抗震設計規(guī)范(GBS0011-2001)[s]
[3]中國建筑科學研究院PKPM CAD工程部，高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件SATWE(墻元模型)，2003
