浅谈短肢剪力墙结构设计
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摘要:本文从短肢剪力墙结构设计、计算分析、截面设计及短肢剪力墙结构的一般构造等几方面去分析短肢剪力墙结构设计，仅供同行参考。
关键词:短肢剪力墙；结构设计；存在问题
1 短肢剪力墙结构设计
1.1平面布置
墙肢高厚比在5～8之间的剪力墙称短肢剪力墙。短肢剪力墙一般用在10～25层之间,按“高规”分类属A级高度高层建筑。平面布置应遵守的一般要求:(1)宜使结构平面形状简单、规则,刚度和承载力均匀;(2)宜选用风荷载作用较小的平面形状;(3)平面长度不应过长,突出部分不应过大;(4)不宜采用角部重叠的平面图形或细腰形平面图形。但是,短肢剪力墙亦有以下几个特点:
①在结构布置时不应采用全部墙肢均为短肢墙的结构方案,必须布置筒体(或一般剪力墙),形成短肢剪力墙与筒体(一般剪力墙)共同抵抗水平力的剪力墙结构。从计算分析来看,全部由短肢剪力墙构成的结构体系在地震作用下,其内力-变形曲线非常接近纯框架结构。而短肢剪力墙―筒体结构在地震作用下,其内力-变形曲线和框架-剪力墙结构很类似。这是因为大多数由若干短肢剪力墙-弱连梁构成的墙片受力性能非常接近壁式框架,按原分析剪力墙的整体性系α数亦可得出上述结论。显然,按纯框架结构,它的允许最大高度较短肢剪力墙-筒体结构要低得多,而且不符合结构体系应有多道抗震防线的抗震设防思想。所以,短肢剪力墙结构一定要有一定数量的筒体(一般剪力墙),以短肢墙间的(边梁为第一道防线,短肢墙为第二道防线,以筒体(一般剪力墙)为第三道纺线,构成一个有效的抗震设防体系。
②短肢剪力墙结构类似剪力墙结构,适用于小开间的民用建筑如住宅、旅馆、宿舍等等,在平面布置时,应注意使梁的净跨度不要太大,例如个别地区就要求200厚的墙肢连梁净跨≤5.5m,250厚的墙肢连梁净跨≤6.5m,否则,梁的配筋很多,结点钢筋密集,对施工造成很大的困难,也不利于抗震。(3)应控制剪力墙平面外的弯矩。短肢剪力墙宜设置翼缘,不宜布置与一字形短肢剪力墙单面相交的楼面梁。
1.2竖向布置
短肢剪力墙-筒体结构的竖向布置也应符合A级高度高层建筑的一般要求:(1)高层建筑的竖向体型宜规则、均匀,避免有过大的外挑和内收。结构的侧向刚度宜下大上小,逐渐均匀变化,不应采用竖向严重不规则的结构。(2)抗震设计的高层建筑结构,其楼层侧向刚度平均值不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%。(3)楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的80%。(4)抗震设计时,结构的竖向抗侧力构件宜上下连续贯通。剪力墙沿竖向宜连续分布,上到顶下到底,中间楼层不宜中断。墙厚度沿竖向应逐渐减薄,在改变截面厚度时不宜变化太大。厚度改变与混凝土强度等级的改变宜错开楼层,避免结构刚度突变。
2 短肢剪力墙结构的计算分析
短肢剪力墙结构的内力和位移计算。目前应用最多的有两类,一是以薄壁杆理论为基础的软件如TAT,TBSA;二是以墙元理论为基础的软件如SATWE、SSW、TUS2000等。在设计时,应根据具体情况,选择合适的软件进行计算,必要时,还应进行多软件的分析比较。在TAT、TBSA中,只需按剪力墙输入即可,而且适合用来计算短肢剪力墙结构。TAT、TB-SA所用的计算模型都是杆件、薄壁杆件模型,其中梁、柱为普通空间杆件,每端有6个自由度,墙视为薄壁杆件,每端有7个自由度,考虑了墙单元非平面变形的影响,按矩阵位移法由单元刚度矩阵形成总刚度矩阵,引入楼板平面内刚度无限大假定减少部分未知量之后求解,它适用于各种平面布置,未知量少,精度较高。运算速度较墙元模型的软件快很多。但是,薄壁杆件模型在分析剪力墙较为低宽、结构布置复杂(如有转换层)时,也存在一些不足,主要是薄壁杆件理论没有考虑剪切变形的影响,当结构布置复杂时变形不协调。而短肢剪力墙结构由于肢长较短,本身较高细,更接近于杆件性能,所以,用TAT、TBSA计算短肢剪力墙结构也能较好地反映结构的受力,精度较高。对设有转换层的短肢剪力墙结构,一般都只是将电梯间、楼梯间、核心筒和一少部分剪力墙落地,基余剪力墙采用框支。框支剪力墙是受力面向受力点过渡,由于薄壁杆件的连续处是点连接,所以用薄壁杆件模型不能很好地处理位移的连续和力的正确传递。因此,带有转换层的短肢剪力墙结构宜优先采用墙元模型软件进行计算。当然,从整体上的内力(特别是下部支承柱的内力)分布情况来看,如果将剪力墙加以适当的处理,还是可以用TAT、TBSA对结构进行整体计算的。对短肢剪力墙-筒体这种结构体系,“高规”要求筒体和一般剪力墙承受的基本振型下的底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50%。目前软件并不能做出对这个问题的判断,这就要求设计人员独立进行判断。判断方法有两种:一是利用软件输出的基本振型下的底层内力,复核筒体和一般剪力墙的地震倾覆弯矩是否≥50%结构总底部地震倾覆力矩;二是计算结构的刚度,判断结构的底层侧移刚度中筒体和一般剪力墙在结构总侧移刚度中所占的比例。
3 短肢剪力墙结构的截面设计
3.1墙肢厚度≥200,且按抗震等级为一、二级时短肢剪力墙的截面厚度,底部加强部位≥1/16层高,其它部位≥1/20层高,当为无端柱或翼墙的一字形剪力墙时,底部加强部位的截面厚度≥1/12层高,其它部位≥1/15层高;按抗震等级为三、四级时短肢剪力墙的截面厚度,底部加强部位≥1/20层高,其它部位≥1/25层高。
3.2短肢剪力墙应进行剪压比、轴压比验算,正截面、斜截面的计算,计算过程和计算公式与普通剪力墙一致。
3.3短肢剪力墙之间的连梁应进行剪压比验算,正截面,斜截面的计算,计算过程和计算公式与普通连梁一致。
3.4在设计中,经常会遇到连梁超限的情况,“高规”第7.2.25条提出了三种处理方法:(1)减小连梁高度,降低连梁的刚度。对于高度很大的连梁,可以双连梁的办法来解决。双连梁可近似折算为一根梁,梁宽等于两倍墙厚,梁高取实际梁高,计算所得配筋均分给上下两根连梁。在构造上应注意两根连梁应采用轻质材料填缝。(2)对连梁弯矩及剪力进行调幅,但在整体计算时已将连梁刚度进行折减的,不应再考虑调幅。无论用什么方法,连梁调幅后的弯矩及剪力设计值不应低于正常使用状态下的值,也不宜低于比设防烈度低一度的地震作用组合所得的弯矩设计值。因此“高规”建议在一般情况下,可掌握调幅后的弯矩不小于调幅前弯矩的0.8倍(6～7度)和0.5倍(8～9度)。同时,当部分连梁降低弯矩设计值后,其余部位的连梁和墙肢的弯矩设计值应相应提高。(3)当连梁破坏对承受竖向荷载无明显影响时(如跨度较小的洞口连梁),可考虑在大震作用下该连梁不参与工作,按独立墙肢进行第二次多遇地震作用下的结构内力分析,墙肢应按两次计算所得的较大内力进行配筋设计,连梁则可根据实际截面按构造配筋,做到“强剪弱弯”即可。以上三种方法在不同软件中,实现的方式是不同的,在具体设计过程中,还应参照软件说明书进行调整。
4 短肢剪力墙结构的一般构造
4.1短肢剪力墙的轴压比限值
短肢剪力墙各层的轴压比限值应满足:一级为0.5;二级为0.6;三级为0.7,当短肢剪力墙为一字墙时应减0.1。
4.2短肢剪力墙纵筋的配筋率
有抗震设计要求时,短肢剪力墙纵筋的配筋率应符合底部加强部位为1.2%,其它部位为1%。底部加墙部位的高度可取墙肢总高度的1/8及底部两层层高的较大值。
4.3边缘构件
短肢剪力墙结构在底部加强部位及相邻上一层应设置约束边缘构件,其它部位应设置构造边缘构件。关于约束边缘构件和构造边缘构件的具体要求可参见规范有关条文需要特别说明的是,由于肢长的关系,在设置边缘构件时,经常会遇到按规范设置的几个边缘构件连在一起或距离100～300mm的情况,如图1。使得区分配箍率为λv/2的范围非常困难,在设计过程中,一般把需要设置约束边缘构件范围λ内的整个短肢墙设置成一个约束边缘构件,配筋率为λv;纵v筋钢筋的总面积则可按As=∑Asi+∑bihiρ(ρ为剪力墙纵向钢筋的配筋率)进行计算,而在需要设置构造边缘构件的部位将全截面设置为一个构造边缘构件,配筋符合规范的相应要求。实践证明,这种配筋方式非常行之有效,又是便于施工的好方法。一般剪力墙和筒体的边缘构件设置则可以完全按规范要求执行。
4.4连梁的配筋构造
连梁分为弱连梁和强连梁,弱连梁的内力及变形与框架梁类似,它的配筋构造可参照相应抗震等级的框架梁来执行。而强连梁以剪切变形为主,竖向荷载引起的内力和变形所占的比例很小。对这类构件,应严格执行。
4.5墙-梁连接节点的处理
短肢剪力墙-筒体结构一般情况下梁、墙宽度相等,梁墙的连接节点过去大多参照设计规程上的节点大样(如图2),这种节点在施工中存在如下问题:在靠近墙端的连梁由于钢筋位置内移,截面的有效宽度削弱太多,梁侧面的保护层达40～50mm,梁侧极易出现裂缝。可对上述节点进行一些改造,在梁的四角各加一根架立钢筋,伸入墙竖向钢筋的外侧(如图3),既便于钢筋定位,又有效的减少了梁侧的裂缝。