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短肢剪力墻高層建筑
摘要：剪力墻結(jié)構(gòu)具有剛性強(qiáng)、整體性好、穩(wěn)定性良好等主要特點(diǎn)，也正是因?yàn)檫@些因素使其具有剛度好、抗震、抗風(fēng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。除此之外，剪力墻結(jié)構(gòu)整體布置形式比較簡(jiǎn)單，能夠很好的滿足建筑對(duì)室內(nèi)空間的使用要求，滿足其工作優(yōu)勢(shì)。1短肢剪力墻的特點(diǎn)近年來，高層建筑大量興建，鋼筋混凝土短肢剪力墻得到廣泛的應(yīng)用并積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》7．1．8條:短肢剪力墻是指截面厚度不大于300mm、各肢......
剪力墻結(jié)構(gòu)具有剛性強(qiáng)、整體性好、穩(wěn)定性良好等主要特點(diǎn)，也正是因?yàn)檫@些因素使其具有剛度好、抗震、抗風(fēng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。除此之外，剪力墻結(jié)構(gòu)整體布置形式比較簡(jiǎn)單，能夠很好的滿足建筑對(duì)室內(nèi)空間的使用要求，滿足其工作優(yōu)勢(shì)。
1短肢剪力墻的特點(diǎn)
近年來，高層建筑大量興建，鋼筋混凝土短肢剪力墻得到廣泛的應(yīng)用并積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》7．1．8條:短肢剪力墻是指截面厚度不大于300mm、各肢截面高度與厚度之比的最大值大于4但不大于8的剪力墻。與普通剪力墻結(jié)構(gòu)體系相比，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系有以下顯著的特點(diǎn):1)平面布置較靈活，結(jié)構(gòu)的開洞尺寸也更為靈活，更容易滿足建筑功能的要求，建筑使用上不僅可以更大的發(fā)揮空間使用效率和觀感效果，也可以使門窗的布置有更大的空間自由度。
2)結(jié)構(gòu)自重輕，抗側(cè)力剛度較小，因此受地震影響較弱，地震力帶來的內(nèi)力作用更小;短肢剪力墻結(jié)構(gòu)特別適用于15層～25層的高層住宅，而且相對(duì)于普通剪力墻結(jié)構(gòu)體系更加經(jīng)濟(jì)。3)短肢剪力墻構(gòu)件一般為高剪力墻，墻體的破壞形式一般呈彎曲型破壞，連梁跨度、跨高比較大，故連梁也呈彎曲型破壞形式，因此短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系的延性較好。近年來我國高層住宅建筑大量興建，25層以下的高層住宅建筑采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)形式的數(shù)量越來越多。由于JGJ3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程規(guī)定，建筑整體不得全部采用短肢墻，故通常采用普通剪力墻和短肢剪力墻結(jié)合應(yīng)用以共同抵抗水平力的方式，一般將建筑樓梯間、電梯間部位設(shè)置為筒體或類似于筒體的剪力墻布置形式，而其他部位布置短肢墻。
2高層建筑短肢剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置的一般原則
1)短肢剪力墻必須根據(jù)建筑立面、平面布置來設(shè)置剪力墻，剪力墻構(gòu)件盡量選用T形、+形、L形、Z形，保證單個(gè)承重構(gòu)件的穩(wěn)定性和平面外剛度，盡量減少或者避免“一”字形剪力墻構(gòu)件。剪力墻布置盡量使縱、橫方向剛度均勻。
2)短肢剪力墻的總體數(shù)量要適當(dāng)，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)剛度在合理區(qū)間，滿足承載力和剛度的要求，使結(jié)構(gòu)周期、層間位移、位移比、地震底部剪力等各項(xiàng)指標(biāo)在合理范圍內(nèi)。3)為避免墻肢凸出于隔墻表面，提高室內(nèi)美觀度和使用舒適程度，墻肢不宜過厚，一般應(yīng)為200mm，250mm，300mm，但從構(gòu)件的穩(wěn)定性和便于施工方面考慮，墻肢厚度一般不小于200mm。當(dāng)建筑層數(shù)較多和高度較大時(shí)，底部剪力墻構(gòu)件的軸壓比有可能較大或者超出規(guī)定的范圍，可根據(jù)實(shí)際情況在剪力墻的豎向布置上采用變截面，墻厚從下到上逐漸減小。連接各剪力墻構(gòu)件的框架梁或連梁一般與剪力墻等厚，但當(dāng)剪力墻較厚時(shí)，也可以將梁寬適當(dāng)減小，但框架梁或連梁梁寬不應(yīng)小于200mm。
4)剪力墻平面布置時(shí)，應(yīng)盡量使剪力墻拉直、相近的墻肢對(duì)齊，使之形成聯(lián)肢墻抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，聯(lián)肢墻在建筑條件允許的情況下應(yīng)布置的盡量縱橫均勻。在有條件的情況下，局部相近的剪力墻宜形成局部筒體的形式，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性。5)填充墻、構(gòu)造柱、梁、腰梁等二次結(jié)構(gòu)構(gòu)件與剪力墻、梁之間用拉接筋拉接以保證填充墻與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接強(qiáng)度。
3短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)
1)控制軸壓比。高層建筑中的短肢剪力墻，對(duì)軸壓比的控制應(yīng)該比普通剪力墻更加嚴(yán)格，特別是端柱、無翼緣的一字形短肢墻。為了確保短肢結(jié)構(gòu)墻的延性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)短肢結(jié)構(gòu)墻的軸壓比進(jìn)行嚴(yán)格地控制，不應(yīng)出現(xiàn)超過軸壓比限值的剪力墻構(gòu)件，合理布置結(jié)構(gòu)布局，減少局部墻肢軸壓比過大的情況。2)關(guān)鍵部位剪力墻構(gòu)件的抗震性能應(yīng)加強(qiáng)。建筑的角點(diǎn)處、結(jié)構(gòu)外邊線處的剪力墻均處在應(yīng)力集中的區(qū)域，在地震時(shí)會(huì)最先出現(xiàn)塑性區(qū)甚至破壞。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮這些部位墻體的受力特性，并采取必要的加強(qiáng)措施，可提高建筑角點(diǎn)處的短肢剪力墻的抗震等級(jí)，減小軸壓比限值、增大配箍率和縱向鋼筋配筋率，特別重視較小墻肢的抗震承載力等。3)正確區(qū)分框架梁和連梁。
對(duì)梁構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，如果其跨高比不大于3，應(yīng)按連梁的要求對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)。若跨高比大于5，宜按框架梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于連梁的剛度對(duì)結(jié)構(gòu)體系的整體抗側(cè)移剛度影響顯著，所以，對(duì)于梁截面的選擇和配筋都應(yīng)準(zhǔn)確合理，符合結(jié)構(gòu)構(gòu)件在工作中的實(shí)際情況，以此對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗震性能進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷和設(shè)計(jì)。4)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系整體的抗震設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)體系在整體布置時(shí)，應(yīng)遵循合理的原則，除“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”等基本原則外，應(yīng)考慮剪力墻的合理布置、框架梁的合理布置。剪力墻布置時(shí)應(yīng)避免形成孤立的“一”字形短肢剪力墻，避免出現(xiàn)明顯薄弱區(qū)域和應(yīng)力集中，以保證結(jié)構(gòu)的整體性和可靠度。在建筑外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢等關(guān)鍵部位的剪力墻構(gòu)件應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。
5)結(jié)構(gòu)計(jì)算中連梁剛度的設(shè)置。結(jié)構(gòu)模型數(shù)值模擬計(jì)算中，應(yīng)根據(jù)連梁所處位置、相鄰墻肢承受地震力、“三水準(zhǔn)”抗震設(shè)防要求中所起的作用等因素，判斷連梁在實(shí)際工作中對(duì)結(jié)構(gòu)體系提供的剛度貢獻(xiàn)，適當(dāng)設(shè)置連梁的剛度折減系數(shù)。以此使得數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果更加接近結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度和受力情況，計(jì)算結(jié)果更加符合結(jié)構(gòu)體系實(shí)際情況，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果更加合理、經(jīng)濟(jì)。隨著高層建筑的逐漸發(fā)展和人們對(duì)住宅使用功能要求的逐步提高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作也有了更高的要求。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)可以靈活布置，墻肢可長可短可落地也可帶轉(zhuǎn)換層，能夠更好的實(shí)現(xiàn)建筑的使用功能。短肢剪力墻的抗震性能優(yōu)于異形柱的墻肢結(jié)構(gòu)，更加適合高度在20m～60m的住宅建筑。在設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)其特點(diǎn)，合理的布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件，正確運(yùn)用計(jì)算分析方法。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)將在高層建筑中有著廣闊的發(fā)展前景。
4短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例
圖1結(jié)構(gòu)平面布置圖某住宅樓，主體結(jié)構(gòu)地上18層地下1層，建筑面積約13000m2，平面圖見圖1。為達(dá)到降低成本的目的，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者需要對(duì)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證結(jié)構(gòu)體系安全可靠的前提下，降低主體結(jié)構(gòu)含鋼量。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者做了以下兩個(gè)結(jié)構(gòu)方案，通過比較，從中優(yōu)選出最優(yōu)方案。方案一:筒體與短肢剪力墻結(jié)合使用。“筒體”是指:以樓梯間、電梯間四周墻體組成鋼筋混凝土核心筒［5］。
筒體承受主要水平力。本方案結(jié)合建筑平面布置豎向構(gòu)件，剪力墻的布置與墻肢長度根據(jù)數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行多次調(diào)整，主要視抗側(cè)力的需要以及軸壓比的限值而定，并通過調(diào)整剪力墻布置以調(diào)整整體剛度和剛度中心的位置;數(shù)值模擬計(jì)算采用三維有限元分析軟件PKPM結(jié)構(gòu)軟件。圖2，圖3是在水平力作用下結(jié)構(gòu)各層的位移角，可見結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力性能滿足要求。相對(duì)于普通剪力墻結(jié)構(gòu)體系，由于減少了剪力墻數(shù)量，結(jié)構(gòu)自重降低，整體剛度也適當(dāng)降低，地震響應(yīng)減弱，有利于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，同時(shí)也降低了工程造價(jià)。圖2地震力作用下各層位移角曲線X方向最大層間位移角=1/1168Y方向最大層間位移角=1/1002a）X方向b）Y方01/64001/16001/80027rad01/64001/16001/80027rad圖3風(fēng)荷載作用下各層位移角曲線X方向最大層間位移角=1/5102Y方向最大層間位移角=1/4331a）X方向b）Y方向0271/128001/32001/1600rad1/160001/128001/320027rad方案二:普通剪力墻結(jié)構(gòu)。根據(jù)建筑要求和一般原則設(shè)置剪力墻，保持結(jié)構(gòu)剛度在平面上分布的均勻性，有條件的盡量使剪力墻對(duì)稱布置。剪力墻構(gòu)件通過梁板的連接形成整體抗側(cè)力強(qiáng)度和剛度很高的體系。若房屋高度不大，會(huì)因剛度過大使結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)加劇，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力增大，使造價(jià)提高并且對(duì)結(jié)構(gòu)安全不利，并非是理想的方案。數(shù)值模擬計(jì)算采用PKPM-SAT-WE結(jié)構(gòu)軟件。通過以上兩種方案計(jì)算結(jié)果的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)受力情況和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)兩個(gè)方面，第一方案均優(yōu)于第二方案。
