新规范下短肢剪力墙结构的设计与应用
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摘 要:本文结合新的《高层建筑混凝土结构技术规程》，主要从短肢剪力墙结构体系的特点、短肢剪力墙结构布置、短肢剪力墙结构设计应注意的问题、短肢剪力墙结构的构造要求及短肢剪力墙结构新旧规范对比进行阐述。关键词:短肢剪力墙高层住宅设计新规范
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
1前 言
短肢剪力墙结构是剪力墙结构中的一种,多用于高层及小高层住宅建筑。短肢剪力墙结构的大多数墙肢相对较短,常用的有“T”字型、“L”型、“十”字型、“Z”字型、折线型、“一”字型。近年来,随着人们对住宅,平面与空间的要求越来越高,原来普通框架结构的露柱露梁、普通剪力墙结构对建筑空间的严格限定与分隔已不能满足人们的需求。在这样的情况下,由于钢筋混凝土短肢剪力墙结构具有墙肢可灵活布置,房间内无露梁露柱的现象,给建筑较大的灵活空间,剪力墙数量较少,减轻了自重,减小了水平地震作用,降低了钢筋混凝土的用量等优点,因此得到了广泛运用。
新的《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)中规定:短肢剪力墙是指墙截面高度最大值与厚度之比大于4但不大于8的剪力墙结构,且墙后不小于300 mm。相比旧规范增加了厚度的限制。为此,本文将重点谈谈高层住宅中短肢剪力墙结构的设计应用。
2短肢剪力墙结构体系的特点
(1)结合建筑平面,利用间隔墙位置来布置竖向构件,基本上不与建筑使用功能发生矛盾。
(2)墙的数量可多可少,肢长可长可短,主要视抗侧力的需要而定,还可通过不同的尺寸和布置来调整刚度中心的位置。
(3)在结构布置方面灵活性及可调整性大,可选择的方案较多,较易处理楼盖的支承。
(4)连接各墙的梁,随墙肢位置而设于间隔墙竖平面内。可隐蔽。
(5)根据建筑平面的抗侧刚度的需要,利用中心剪力墙,形成主要的抗侧力构件,较易满足刚度和强度要求。
3短肢剪力墙结构布置
(1)短肢墙的数量应当适中,避免结构太刚或太柔,满足竖向荷载和抗侧力需要即可。
(2)短肢剪力墙的纵横应尽量均匀分布,其轴向应力不应相差悬殊。
(3)短肢剪力墙肢间距不宜过大,在平面外边缘及角点处,特别是外凸部分,布置必要的短肢墙,既有利于梁的支撑,又可以分散荷载,以加强其整体性和满足平面刚性的要求。
(4)各短肢剪力墙应尽量对齐并拉直,与连梁一起构成成片的联肢墙抗侧力结构。
(5)每道短肢墙宜与两个方向的梁连结,连梁尽可能布置在墙肢的竖平面内;连梁宽度一般宜与墙肢厚度相等;墙肢不宜过厚,以采用200 mm、250 mm或300 mm为宜;可以混合布置部分较长的墙或矩形柱。
(6)小高层珠海部分的竖向构件根据受力的需要和建筑平面布置,设置适量的钢筋混凝土短肢剪力墙,在各短肢剪力墙的墙肢间布置连系梁,把这些短肢墙以及核心筒连成一个整体,构成整幢建筑的结构体系。
4短肢剪力墙结构设计应注意的问题
(1)严格控制短肢墙的轴压比,尤其是无翼缘或端柱的一字形短肢剪力墙。目前,根据国内外研究结果,在承受压弯作用的剪力墙中,当处于小偏压状态时,墙的延性较差。不仅如此,即使在大偏压状态下,若轴压比较大,混凝土受压区的边缘应力很高,如果混凝土没有约束或约束不够,可能混凝土先达到极限压应变,出现竖向裂缝,甚至压碎,使构件丧失变形能力和承载能力。因此,在设计时,应严格控制短肢墙的轴压比,以保证短肢墙的延性。
(2)应采取三维计算方法进行结构的动力特性分析和杆件内力计算。这时对于竖向构件又有薄壁杆模型与墙元模型,前者是一种简化模型,但精确度较低;后者是板元与膜元的组合,是一种高精度力学模型。
(3)由于短肢剪力墙结构相对于普通剪力墙结构其抗侧刚度相对较小,设计时宜布置适当数量的长墙,或利用电梯,楼梯间形成刚度较大的内筒,以避免设防烈度下结构产生大的变形,同时也形成两道抗震设防。
(4)各墙肢分布要尽量均匀,使其刚度中心与建筑物的形心尽量接近;抗震设计中,简体和一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构底部地震倾覆力矩的50%,必要时也可以通过增加长肢墙的方法调整刚度中心位置。
(5)短肢剪力墙结构体系的抗震薄弱环节是建筑外边缘及角点处的墙肢,特别是“一字形”短肢剪力墙,可出现先于与其相连的梁破坏的情况。如当高层短肢剪力墙结构有扭转效应时,会加剧已有的翘曲变形,使其墙肢首先开裂。因此,设计时应采取必要的措施,如对位于建筑外边缘及角点处的短肢剪力墙应减小轴压比,增大纵筋和箍筋的配筋率,加强小墙肢的延性抗震性能,避免形成孤立的“一”字形短肢剪力墙,以保证结构的安全性、实用性。
(6)要正确判定短肢剪力墙结构墙肢平面内梁的属性。《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ5-2010)规定:剪力墙开洞形成的跨高比小于5的连梁应按连梁进行设计;当跨高比大于5时宜按框架梁进行设计。连梁的刚度变化,直接影响了结构的总体抗侧移刚度,合理地选择梁的截面和配筋,有利于提高结构的抗震性能。因此,高层住宅短肢剪力墙结构在实际设计时,墙肢刚度可相对减小;连接各墙肢间的梁刚度不应折减。只有这样,才能使梁截面设计易于满足规范的要求,也是偏于安全的。
(7)高层住宅在设计时,为避免连梁剪切破坏先于弯曲破坏,应满足强剪弱弯的要求;不宜采用窗下墙作为连梁,因为窗下墙高度很大,形成刚度很大的剪切块,不利于结构的抗震设计,所以,宜将连梁设计成为截面、刚度较小的弱连梁。5短肢剪力墙结构的构造要求短肢剪力墙结构的构造要求同一般剪力墙结构。目前我国各设计院在短肢剪力墙的结构设计中,剪力墙端部暗柱的设置有两种形式:一种是端部做暗柱,设置剪力墙水平和竖向分布筋,适于肢长较长的短肢剪力墙;另一种有点类似异形柱的配筋方法,以腹部均匀配筋,腹部钢筋面积根据电算时人为设置竖向分布筋的配筋率来计算,电算出的暗柱钢筋面积放在端部,适于肢长较短的短肢剪力墙,且配筋形式较简化,利于工程施工。
短肢剪力墙的连梁应进行正截面极限承载力和斜截面抗剪极限承载力计算。目前,短肢剪力墙正截面极限承载力计算多采用构建截面分析的一般方法——全过程分析方法;连梁的正截面配筋,按矩形截面构件计算,取上、下配筋的较大值, 按对称配筋置于梁截面上、下部位,按斜截面抗剪计算所得的箍筋沿全跨加密设置。另外,短肢剪力墙的连梁在进行抗震设计时,其弯矩和剪力进行塑性调幅,以降低其剪力设计值;当部分连梁降低弯矩设计值后,应相应提高其余部位连梁和墙肢的弯矩设计值;为避免在使用过程中连梁中裂缝开展过早、过大,当内力计算时连梁的刚度已经折减,则应限制其调幅的范围或不再调幅。
6短肢剪力墙结构新旧规范对比
A.高规7.1.8条：抗震设计时，高层建筑结构不应全部采用短肢剪力墙；B级高度高层建筑以及抗震设防烈度为9度的A级高度高层建筑，不宜布置短肢剪力墙，不应采用具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构。当采用具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构时，应符合下列规定：
（1）在规定的水平地震作用下，短肢剪力墙承担的底部倾覆力矩不宜大于结构底部总地震倾覆力矩的50%；
旧规范：抗震设计时，筒体和一般剪力墙承受的第一振型底部倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50%；
（2）房屋适用高度应比本规程表3.3.1-1规定的剪力墙结构的最大适用高度适当降低，7度、8度（0.2g）和8度（0.3g）时分别不应大于100m，80m和60m。