簡介： 本文根據(jù)《高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2002（以下簡稱《高規(guī)》）中的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合工程實際對在PKPM中如何實現(xiàn)短肢剪力墻的輸入及其計算結(jié)果進行分析。
關(guān)鍵字：PKPM SATWE 短肢剪力墻 小高層
1、前言
目前，對于12～16層的小高層建筑，采用既可以保證結(jié)構(gòu)的剛度、位移，又可以使室內(nèi)空間方正合理的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)得以普遍應(yīng)用。短肢剪力墻的受力、變形特征，類似以框剪結(jié)構(gòu)，它比框架結(jié)構(gòu)的剛度分配、內(nèi)力分配更合理，結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)導(dǎo)致的豎向位移差別也比框剪結(jié)構(gòu)小，傳給基礎(chǔ)的荷載更均勻、合理。它的結(jié)構(gòu)布置方式靈活，墻肢可長可短，由于這種結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)布置不太規(guī)則，構(gòu)件形式較多，因此一般均采用空間有限元分析SATWE計算。
本文根據(jù)《高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2002（以下簡稱《高規(guī)》）中的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合工程實際對在PKPM中如何實現(xiàn)短肢剪力墻的輸入及其計算結(jié)果進行分析。
2、短肢剪力墻的布置
根據(jù)《高規(guī)》7.1.1條要求短肢剪力墻布置應(yīng)遵循以下原則：
（1）、將一般剪力墻布置在建筑四角處，短肢剪力墻應(yīng)雙向均勻?qū)ΨQ布置，盡量避免單向有墻的布置形式。
（2）、短肢剪力墻的數(shù)量應(yīng)適中，布置不宜太密，應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)所需的豎向承載力及抗側(cè)力要求。
（3）、短肢剪力墻平面布置應(yīng)盡量對齊，豎向布置應(yīng)上下連續(xù)，避免剛度突變。
3、在PKPM中應(yīng)注意的問題（以PKPM版本為2004年11月版為例）
（1）、剪力墻在PMCAD中的輸入一般來說，我們建議：若剪力墻洞口比較大，即洞口形成的高跨比不小于5時，洞口之間部分以彎曲變形為主，則應(yīng)在洞口兩端各增加節(jié)點按連梁方式輸入；若剪力墻洞口不大，即洞口形成的高跨比小于5時，洞口之間部分以剪切變形為主，則應(yīng)按剪力墻開洞方式輸入。
（2）、《高規(guī)》將短肢剪力墻定義為墻肢高度與厚度之比為5～8的剪力墻，同時，《高規(guī)》7.2.5條規(guī)定不宜采用墻肢高度與厚度之比小于5的剪力墻；對墻肢高度與厚度之比不大于3的墻，應(yīng)按柱的要求進行設(shè)計。因此，在PMCAD中，我們應(yīng)盡量避免采用墻肢高厚比在3～5之間的剪力墻，當(dāng)采用墻肢高厚比不大于3的剪力墻時，則應(yīng)按柱的形式輸入。
（3）、在SATWE前處理中，對于“結(jié)構(gòu)體系”是應(yīng)設(shè)定為“短肢剪力墻結(jié)構(gòu)”還是設(shè)定為“剪力墻結(jié)構(gòu)”，一般應(yīng)需要進行一遍計算后查看SATWE后處理中的“框架柱傾覆彎矩及0.2Q0調(diào)整系數(shù)”（WV02Q.OUT）中的短肢墻部分承擔(dān)的地震傾覆力矩。若其不大于結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩的50%，則應(yīng)將“結(jié)構(gòu)體系”設(shè)定為“短肢剪力墻結(jié)構(gòu)”，這也是判定短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的上限。超過此上限說明短肢剪力墻占的比例太大，這種結(jié)構(gòu)是不允許的，應(yīng)減少短肢墻數(shù)量。若短肢墻部分承擔(dān)的地震傾覆力矩占結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩的比例很�。üP者認為小于15％），則應(yīng)將“結(jié)構(gòu)體系”設(shè)定為“剪力墻結(jié)構(gòu)”，結(jié)構(gòu)中不用區(qū)分短肢剪力墻還是一般剪力墻，一律按剪力墻處理。
將“結(jié)構(gòu)體系”設(shè)置為“短肢剪力墻結(jié)構(gòu)”后，程序自動將其中的短肢剪力墻，即墻肢高度和寬度之比不大于8的剪力墻的抗震等級提高一級，用提高后的抗震等級進行短肢剪力墻墻肢的軸壓比控制和剪力設(shè)計值放大。
（4）、SATWE中對短肢剪力墻的判斷是單肢認定，它對于有長肢翼緣的T形、L形等剪力墻的短肢部分仍認為是短肢剪力墻，這是不對的，因此我們應(yīng)在SATWE前處理的“特殊構(gòu)件補充定義”中將這種假短肢剪力墻的抗震等級單獨定義。但即使這樣，在計算短肢剪力墻承擔(dān)的地震傾覆力矩中仍然包括了這些假短肢墻的彎矩。
4、工程實例
勞倫斯小高層住宅工程總建筑面積8000m2，地上12層，地下1層，房屋總高度35.4m。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，結(jié)構(gòu)抗震等級為三級，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.10g，設(shè)計地震分組為第一組，場地土類別為Ⅱ類，地面粗糙度類別為B類，基本風(fēng)壓值取0.40KN/m2。下圖為本工程的剪力墻結(jié)構(gòu)布置圖。
5、計算結(jié)果分析
（1）、剪重比的控制
控制剪重比，是要求結(jié)構(gòu)承擔(dān)足夠的地震作用，設(shè)計時不能小于規(guī)范的要求。剪重比是反映地震作用大小的重要指標(biāo)，它可以由“有效質(zhì)量系數(shù)”來控制，當(dāng)“有效質(zhì)量系數(shù)”大于90%時，可以認為地震作用滿足規(guī)范要求，此時，再考察結(jié)構(gòu)的剪重比是否合適，否則應(yīng)修改結(jié)構(gòu)布置、增加結(jié)構(gòu)剛度，使計算的剪重比能自然滿足規(guī)范要求。有效質(zhì)量系數(shù)與振型個數(shù)有關(guān)，如果有效質(zhì)量系數(shù)不滿足90%，則可以通過增加振型數(shù)來滿足。
本工程平面及豎向均比較規(guī)則，在SATWE中設(shè)計時選取了15個振型進行計算，在WZQ.OUT結(jié)果文件中查看X、Y向有效質(zhì)量系數(shù)及樓層最小剪重比如下：
X 方向的有效質(zhì)量系數(shù): 92.71%
Y 方向的有效質(zhì)量系數(shù): 90.59%
X向樓層最小剪重比： 1.88%
Y向樓層最小剪重比： 2.24%
兩個方向有效質(zhì)量系數(shù)均超過90%，說明計算振型數(shù)夠了。兩個方向的樓層最小剪重比均滿足《抗震規(guī)范》第5.2.5條要求的樓層最小剪重比1.60%。
（2）、周期比的控制
驗算周期比的目的，主要是為了控制結(jié)構(gòu)在罕遇大震下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。如同位移比的控制一樣，周期比側(cè)重控制的是側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度之間的一種相對關(guān)系，而非其絕對大小，它的目的是使抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置更有效、更合理，使結(jié)構(gòu)不致于出現(xiàn)過大（相對于側(cè)移）的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。所以一旦出現(xiàn)周期比不滿足要求的情況，一般只能通過調(diào)整平面布置來改善這一狀況，這種改變一般是整體性的，局部的小調(diào)整往往收效甚微。一句話，周期比控制不是在要求結(jié)構(gòu)足夠結(jié)實，而是在要求結(jié)構(gòu)承載布局的合理性。
本工程WZQ.OUT文件中自振周期結(jié)果如下：
振型號 周期 轉(zhuǎn) 角 平動系數(shù) (X+Y) 扭轉(zhuǎn)系數(shù)
1 1.1708 0.03 0.95 ( 0.95+0.00 ) 0.05
2 0.9766 90.02 1.00 ( 0.00+1.00 ) 0.00
3 0.7856 179.88 0.10 ( 0.06+0.04 ) 0.90
4 0.3288 0.01 0.98 ( 0.97+0.00 ) 0.02
5 0.2431 90.01 1.00 ( 0.00+1.00 ) 0.00
6 0.1983 89.91 0.11 ( 0.04+0.07 ) 0.89
7 0.1649 0.05 0.96 ( 0.96+0.00 ) 0.04
8 0.1347 90.10 1.00 ( 0.00+1.00 ) 0.00
9 0.1339 179.75 0.71 ( 0.68+0.02 ) 0.29
10 0.1277 0.37 0.55 ( 0.53+0.01 ) 0.45
11 0.1180 0.07 0.61 ( 0.58+0.03 ) 0.39
12 0.1081 90.03 1.00 ( 0.02+0.98 ) 0.00
13 0.0944 0.18 0.65 ( 0.59+0.06 ) 0.35
14 0.0927 89.98 0.29 ( 0.03+0.27 ) 0.71
15 0.0851 0.11 0.47 ( 0.46+0.01 ) 0.53
當(dāng)平動系數(shù)大于0.5時，該振型為以平動為主的振型。反之，當(dāng)扭轉(zhuǎn)系數(shù)大于0.5時，該振型為以轉(zhuǎn)動為主的振型。
從上面結(jié)果中可以查得，結(jié)構(gòu)以扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期T3＝0.7856s，以平動為主的第一自振周期T1＝1.1708s，T3/T1＝0.671＜0.9，滿足《高規(guī)》第4.3.5條的規(guī)定。
（3）、位移比的控制
位移比的大小反映了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。計算位移比時，如果樓層中產(chǎn)生“彈性節(jié)點”，應(yīng)選擇“強制剛性樓板假定”。
在SATWE后處理中查看本工程結(jié)構(gòu)位移文件WDISP.OUT，結(jié)果如下：
a）、最大值層間位移角
X方向最大值層間位移角: 1/2161.
Y方向最大值層間位移角: 1/2495.
滿足《高規(guī)》4.6.3條最大值層間位移角≤1/1000的規(guī)定。
b）、最大位移與層平均位移的比值、最大層間位移與平均層間位移的比值
X方向最大位移與層平均位移的比值: 1.12
X方向最大層間位移與平均層間位移的比值： 1.18
Y方向最大位移與層平均位移的比值: 1.06
Y方向最大層間位移與平均層間位移的比值： 1.18
滿足《高規(guī)》4.3.5條最大位移層間位移和與層平均值的比值A(chǔ)級高度高層建筑不宜大于1.2，不應(yīng)大于1.5的規(guī)定。
（4）、剛度比的控制
按《高規(guī)》7.1.2條規(guī)定，抗震設(shè)計的一般剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩不宜小于結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩的50%。
本工程底部短肢墻地震傾覆彎矩百分比如下：
短肢墻傾覆彎矩 墻傾覆彎矩 短肢墻傾覆彎矩百分比
3層 X向地震: 24633.7 36285.8 40.44%
3層 Y向地震: 20095.4 55785.2 26.48%
2層 X向地震: 27257.6 41347.7 39.73%
2層 Y向地震: 22330.8 62988.2 26.17%
1層 X向地震: 29733.9 50949.3 36.85%
1層 Y向地震: 25940.5 70792.5 26.82%
很明顯，本工程短肢墻傾覆承受的底部地震傾覆彎矩均小于總底部地震傾覆彎矩的50%。
6、總結(jié)
本文主要以剪力墻結(jié)構(gòu)中的落地短肢剪力墻為例，介紹了在SATWE中應(yīng)注意的問題以及對設(shè)計結(jié)果進行分析。另外針對下部為轉(zhuǎn)換層上部短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，則要求其加強區(qū)應(yīng)按框支剪力墻結(jié)構(gòu)的要求設(shè)計。非加強區(qū)沒有特殊要求也可以按復(fù)雜高層設(shè)計，有特殊要求，可以按短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計加強。結(jié)構(gòu)的位移控制、轉(zhuǎn)換層強制薄弱層、轉(zhuǎn)換梁、框支柱、配筋構(gòu)造等等，均應(yīng)按“復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)”控制、設(shè)計。對于PKPM中的TAT，它采用的是三維空間模型，對剪力墻采用薄壁柱的原理計算，對梁柱采用空間桿系原理計算，當(dāng)連梁跨高比大于4時，采用這種模型計算誤差很小，但實際工程往往并非如此，因此短肢剪力墻一般采用SATWE計算。
綜上所述，對于一個結(jié)構(gòu)設(shè)計者來說，首先應(yīng)對其設(shè)計計算的功能有切實的了解，其次應(yīng)選取符合結(jié)構(gòu)實際工作情況的計算模型及符合現(xiàn)行規(guī)范要求的計算方法，最后還應(yīng)對計算結(jié)果進行正確的判別，確認其合理有效后方可在設(shè)計中應(yīng)用。
參考文獻：
[1] JGJ3-2002 高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程
[2] GB50011-2001 建筑抗震設(shè)計規(guī)范
[3] 陳岱林等 多層及高層結(jié)構(gòu)CAD高級應(yīng)用
作者簡介：柳波，男，1979年5月出生，2000年畢業(yè)于湖南大學(xué)土木工程系建筑工程專業(yè)，國家一級注冊結(jié)構(gòu)師，現(xiàn)在河南省機電設(shè)計院從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。
