摘要：短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是介于框架一剪力墻結(jié)構(gòu)和一般剪力墻結(jié)構(gòu)之間的一種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計。
關(guān)鍵詞：短肢剪力墻；結(jié)構(gòu)設(shè)計；結(jié)構(gòu)剛度；概念設(shè)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，雖無柱體外凸的缺點，但對于底部有停車場等公共設(shè)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(jié)構(gòu)會造成剛度過大，重量增加，導致地震反應過強，使得上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)造價提高。所以說，對于小高層建筑，一般剪力墻結(jié)構(gòu)體系也不是一種理想的設(shè)計方案。為了避免上述缺陷，以一般剪力墻結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，吸取框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，使結(jié)構(gòu)剛度調(diào)整到適宜，由此形成了一種結(jié)構(gòu)體系――“短肢”剪力墻結(jié)構(gòu)體系。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是指墻肢截面高度為厚度5～8倍的剪力墻結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)型式的優(yōu)點在于：
1 墻肢較短，布置靈活，可調(diào)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(zhì)砌體，結(jié)構(gòu)自重相應減輕，從而減小結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2002已對短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)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(jié)構(gòu)的設(shè)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(jié)構(gòu)的安全等級為二級，抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度為0.05g，設(shè)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(jié)構(gòu)體系
本工程的平面體型較為復雜，住宅層結(jié)構(gòu)平面Y向一側(cè)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(shè)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(shè)置了兩道防震縫，將上部結(jié)構(gòu)劃分為三個較規(guī)則的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)單元，即主樓為兩個結(jié)構(gòu)單元(完全相同)，裙樓為1個結(jié)構(gòu)單元。其中，主樓結(jié)構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)。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(shè)計。裙樓采用框架結(jié)構(gòu)，框架抗震等級為四級。
三、主樓上部結(jié)構(gòu)抗震計算結(jié)果分析
(一)主要結(jié)構(gòu)構(gòu)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(nèi)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(nèi)，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(nèi)的墻肢，目前規(guī)范尚無明確條文規(guī)定其構(gòu)件類型，故設(shè)計時建議不要采用。
(二)計算結(jié)果分析
從構(gòu)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(jié)構(gòu)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(chǔ)上凝聚而成的墻元模擬剪力墻，墻元不僅具有平面內(nèi)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(jié)果較精確；同時，對樓板SATWE可以考慮其彈性變形。
雖然主樓結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)的影響，為了計算準確，地震作用計算考慮了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計的主要技術(shù)措施
(一)短肢剪力墻設(shè)計
為了保證結(jié)構(gòu)有足夠的抗側(cè)剛度，設(shè)計中將電梯井道與樓梯間的剪力墻形成本結(jié)構(gòu)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(cè)力的短肢剪力墻 結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的特點：地震作用下的抗扭能力較弱，因此，本工程設(shè)計中將一般剪力墻布置在建筑四角處，短墻肢盡量均勻?qū)ΨQ布置，以減小水平力作用下的扭轉(zhuǎn)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(shè)計時盡量不布置與之垂直相交的大跨度單側(cè)樓面梁，避免不了的墻肢，盡量設(shè)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(nèi)，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(nèi)，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(shè)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(cè)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(gòu)成剪力墻壁的主要構(gòu)件連梁無超筋現(xiàn)象�？绺弑�≥5的連梁按框架梁進行設(shè)計(頂層處按連梁的構(gòu)造要求配筋)，其余連梁按JGJ3-2002中第7.2.26條的規(guī)定設(shè)計。為保證樓層處的梁連成一個整體，框架粱、連梁及暗梁設(shè)有一定數(shù)量的縱向鋼筋拉通。
(三)樓板設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)及概念設(shè)計
短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是介于框架一剪力墻結(jié)構(gòu)和一般剪力墻結(jié)構(gòu)之間的一種結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計中，對這些薄弱環(huán)節(jié)，應加強概念設(shè)計和抗震構(gòu)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(diào)整剛度中心，使剛度中心盡量接近建筑物質(zhì)心，以減小扭轉(zhuǎn)效應；由于短肢剪力墻的抗側(cè)移剛度相對較小，故設(shè)計時應盡量利用電梯、樓梯間來形成一個核心筒，確保結(jié)構(gòu)有足夠的剛度，共同抵抗水平力；核心筒作為主要抗側(cè)力構(gòu)件時，設(shè)計中應保證核心筒與其外圍結(jié)構(gòu)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(jié)，連梁宜布置在各肢的平面內(nèi)，避免采用“一字形”墻肢，否則應采取加大配筋、減小軸壓比、設(shè)置端柱等加強措施；高層結(jié)構(gòu)中連梁是―個耗能構(gòu)件，連梁的剪切破壞會使結(jié)構(gòu)的延性降低，對抗震不利，故連梁設(shè)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(shè)計，以保證連梁的受彎屈服先于剪切破壞。
六、結(jié)語
作為剪力墻結(jié)構(gòu)體系的分支，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)布置方面的靈活性和可調(diào)整性，使其各項技術(shù)經(jīng)濟指標均較一般剪力墻結(jié)構(gòu)理想，因而，在小高層住宅樓結(jié)構(gòu)設(shè)計中已被廣泛采用。設(shè)計短肢剪力墻結(jié)構(gòu)時，應區(qū)別于一般剪力墻結(jié)構(gòu)，多結(jié)合住宅特點，使結(jié)構(gòu)剛?cè)徇m中，并運用抗震概念設(shè)計的原則，采取有效的抗震措施，注重細部設(shè)計，從而做到結(jié)構(gòu)設(shè)計安全、經(jīng)濟、適用。
參考文獻
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