高层建筑钢筋混凝土错列剪力墙结构研究
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【摘要】本文采用ANSYS8.1对侧向荷载作用下错列剪力墙结构的内力进行分析。分析表明，由于墙板的错列布置，使错列剪力墙结构中各构件的内力发生重分布。与传统框架一剪力墙结构相比，错列剪力墙结构中剪力墙底部弯矩大大减小；结构中梁存在轴向拉力或轴向压力，且梁的轴向力较大；底部内柱固端弯矩增大，解决了传统框架一剪力墙结构中剪力墙底部弯矩太大所带来对剪力墙基础设计产生的不利影响。
【关键词】高层建筑；混凝土；剪力墙
错列剪力墙结构体系（Staggered Shear Panels Structures System）是将一系列与楼层等高和开间等宽的墙板沿框架高度隔层错跨布置，是一种复杂的转换层结构。按照墙板数量的不同可以分为等墙板数布置和不等墙板数布置，错列剪力墙结构就满足了现代高层建筑所需要大跨度、大开间的建筑功能的要求[1-2]。与传统框架剪力墙结构体系不同，错列剪力墙结构体系可使整个结构体系成为几乎对称均质，具有优异的抵抗水平荷载的能力。分析表明：只要墙板合理布置，错列剪力墙结构可提高结构的横向抗侧刚度，同时可大大地降低剪力墙的底部弯矩，这对剪力墙的基础设计是有益的。错列剪力墙结构中墙板的不连续布置对结构抗震是相当不利的，框架剪力墙结构上部楼层的剪力墙在底部楼层全部中断，底部楼层另布置一些与上部楼层剪力墙不连续的剪力墙，这种结构对抗震不利。框架剪力墙结构中的剪力墙一般不宜中断[3]。因此，分析错列剪力墙结构的工作机理和内力重分布规律以及通过相关的试验对这种结构进行研究是很有必要的，也是很有实际的工程意义的。
1、错列剪力墙结构的工作机理
错列剪力墙结构（类型1）中两子结构间没有梁联系，刚性墙板使单跨框架的侧向变形呈弯曲型。当两子结构在楼层处用梁连接起来后，错列剪力墙结构将共同工作，其侧向变形在侧向荷载的作用下，由于两个子结构的相互作用，使梁中交替产生拉力、压力。A点和A'点向内相对移动，梁AA.受压力；B点和B.点向外相对移动，梁BB'受拉力。在侧向荷载作用下，类型1中梁交替产生拉、压力。错列剪力墙结构（类型2），在侧向荷载作用下，梁同受拉力或压力。从上述分析可以清楚地看出，由于墙板的错列布置而导致了梁承受了拉力或压力，在错列剪力墙结构设计时必须考虑这一受力特性。为分析错列剪力墙结构中墙板的受力机理，采用ANSYS8.1分析图1所示错列剪力墙结构。以图1中的一个墙板为例来分析墙板的工作机理，梁和柱采用BEAM 188单元，墙板采用SHELL63单元。
图1 计算简图（长度单位：m）
错列剪力墙结构中由于墙板的错列布置，使原本由剪力墙承受的弯矩，一部分分配给柱，使剪力墙承担的内力大为减小，这对基础设计是有利的。在墙板的角区存在应力集中的现象，而从试验中的破坏形态可以看出，在节点区出现了许多斜裂缝，而试件SSW-3还是由于节点区的破坏造成了整个试件的破坏，理论和试验表明，节点区应采取相应的构造措施加强。在节点区除设置柱、梁配筋外，还需要配置补强斜筋以保证节点的强度和延性，且在上下墙板相交处采用圆角过渡外形。墙板的水平、竖向分布钢筋的最小配筋率不低于0.25，水平、竖向分布钢筋的钢筋直径不宜大于墙板厚度的1/10；当剪力墙截面厚度bW不大于400mm时，可采用双排配筋，当bw大于400mm，但不大于700 mm时，宜采用三排配筋，当bW大于700mm时，宜采用四排配筋，受力钢筋可均匀分布成数排。计算斜撑钢筋面积时，假设墙板的全部剪力均由墙板中的斜撑来承担。每根暗撑应由2根纵向钢筋组成，纵筋直径不应小于14mm，计算时，考虑拉压相等，其总面积AS应按下公计算：无地震作用组合时：As≥VW/2fysina ，有地震作用组合时： As≥ VW/2fysina。式中a一斜撑与竖直向的夹角；VW为剪力墙墙板承受的剪力.斜撑伸入梁或柱内的长度不应小于laE，非抗震设计时，laE可取la；抗震设计时laE宜取1.15laE。两个方向斜撑的纵向钢筋均应采用矩形箍筋或螺旋箍筋绑成一体，箍筋直径不应小于8mm，箍筋间距不用大于200mm，端部加密区不应大于100mm，加密区的长度不应小于600mm及剪力墙墙板厚度的2倍。剪力墙墙板的混凝土强度等级宜与边框柱相同，且混凝土强度等级不应低于C20。在墙板和楼板连接处要特别加强抗剪构造，应将墙中钢筋分别伸入上、下楼板中并按有关规范保证具有一定的锚固长度，使二者有效地连接在一起保证其抗剪承载力，有效地传递剪力。墙板的其它抗震构造要求应满足框架剪力墙结构中剪力墙的规定要求。
3、结论
本文采用ANSYS8.1对侧向荷载作用下错列剪力墙结构的内力进行分析。分析表明，由于墙板的错列布置，使错列剪力墙结构中各构件的内力发生重分布。与传统框架一剪力墙结构相比，错列剪力墙结构中剪力墙底部弯矩大大减小；结构中梁存在轴向拉力或轴向压力，且梁的轴向力较大；底部内柱固端弯矩增大，这是由于原本由剪力墙承担的部分弯矩传递给了柱，而使剪力墙承担的内力减小，这就解决了传统框架一剪力墙结构中剪力墙底部弯矩太大所带来对剪力墙基础设计产生的不利影响。采用等墙板数布置时，三种错列类型中，类型3的各项静力性能比类型2和1要好，而类型1的各项静力性能相对较差。采用不等墙板数布置的错列剪力墙结构（类型4）的各项内力比两侧满布剪力墙的传统结构要小，说明墙板数量的减少不但没有对其受力产生不利影响，相反产生各项内力都减小，这种墙板的布置方式更合理、更经济。总的说来，类型3和4都是比较好的墙板布置方式。
参考文献：
[1]中华人民共和国行业标准.公路工程技术标准（JTG BO1-2003 ）.北京：人民交通出版社，2003.
[2] 黄士元.高性能混凝土发展的回顾与思考[J].混凝土，2003.7.
[3] 张天航.高效预应力高强混凝土桥面空心板试验研究[D]. 大连：大连理工大学，2000.