有关小高层短肢剪力墙的结构设计的相关探讨-建筑设计论文发表

有关小高层短肢剪力墙的结构设计的相关探讨
肖峭
摘　要：本文结合某住宅楼主体结构实例，介绍了短肢剪力墙结构设计的一般规定、受力特点、计算结果分析和主要技术措施，并提出短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节及概念设计的一些看法，与相关同行商讨。
关键词：短肢剪力墙；建筑结构；概念设计
1.前言
近年来，随着经济发展和生活水平的提高，人们对住宅，特别是高层住宅平面与空间的要求也越来越高。若采用框架结构，往往因柱楞突出隔墙，妨碍美观，影响使用效果。短肢剪力墙结构是指墙肢截面高度为厚度5～8倍的剪力墙结构，常用的有“T”字型“、L”型“、十”字型及少量的“一”字型。和一般剪力墙相比，这种结构型式的优点在于：
（1）墙肢较短，布置灵活，可调整性大，容易满足建筑平面的要求。
（2）减少了剪力墙而代之以轻质砌体，结构自重相应减轻，从而减小结构整体刚度，增大振动周期，降低地震作用力。
（3）墙肢高宽比较大，延性较好，对抗震有利。
（4）连梁跨高比较大，以受弯破坏为主，地震作用下首先在弱连梁两端出现塑性铰，能起到很好的耗能作用。
（5）墙肢的承载力得到了较充分的发挥。
目前，《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3—2002已对短肢剪力墙结构的设计作出了规定。现以某小区一栋小高层住宅为例，介绍一下短肢剪力墙结构的设计情况。
二工程概况
该工程是1栋小高层带电梯的住宅楼，总建筑面积约1.02万m2，房屋总高度31.8m。裙楼为外扩地下室，也作车库使用，平面尺寸为45.6m×18m，层高3.3m，顶板面比主楼1层楼面低1.5m。
本工程建筑结构的安全等级为二级，抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，地面粗糙度为B类，基本风压值取0.35kN/m2，场地土类别为Ⅱ类，属抗震有利地段。
三上部结构体系
本工程的平面体型较为复杂，住宅层结构平面Y向一侧凹进的尺寸为10.8m，为Y向总尺寸的49.1%，大于30%，按《建筑抗震设计规范》GB50011-2001第3.4.2条，属平面不规则类型。裙楼采用框架结构，框架抗震等级为四级。
四主楼上部结构抗震计算结果分析
4.1主要结构构件
剪力墙截面厚度同相邻砌体填充墙厚度：四周外墙肢肢厚240mm，内墙肢肢厚200mm；但无端柱的一字形短墙肢除外：底层肢厚300mm，其余肢厚240mm。主要连梁的尺寸多为240×500mm核心筒处楼板的厚度为200mm，顶层楼板厚度为120mm。
有别于肢长肢厚比不大于4.0的异形柱，短肢剪力墙的肢长肢厚比按规范要求控制在5～8范围内，一般剪力墙的肢长肢厚比均大于8。值得注意的是，对肢长肢厚比为4～5范围内的墙肢，目前规范尚无明确条文规定其构件类型，故设计时建议不要采用。
4.2计算结果分析
从构件力学特性上来说，短肢剪力墙的肢长与肢厚比≥5.0，更接近于剪力墙，故计算时将短肢剪力墙作为剪力墙而不是柱考虑应更合理。同时，对楼板SATWE可以考虑其弹性变形。
虽然主楼结构平面较规则，立面也无刚度突变现象，但由于刚度较大的电梯井处筒体有点偏置，会产生扭转的影响，为了计算准确，地震作用计算考虑了结构的扭转耦联和5%偶然偏心的影响，取了9个振型计算。
（1）自振周期的控制
考虑扭转耦联时的自振周期（计算时自振周期折减系数取0.8）如表1所示。从表1可得，结构扭转为主的第一自振周期T3=0.7233s，平动为主的第一自振周期T1=1.0532s，T3/T1=0.687＜0.9，满足JGJ3—2002第4.3.5条的规定。
结构自振周期表表1
振型号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
周期（s） 1.0532 0.8108 0.7233 0.2942 0.2126 0.1892 0.1413 0.1291 0.967
平动系数 0.99 1.00 0.02 0.98 0.98 0.04 0.98 0.78 0.75
扭转系数 0.01 0.00 0.98 0.02 0.02 0.96 0.02 0.22 0.25

（2）结构位移的控制
最大层间位移角（应≤1/1000）、最大水平位移与层平均位移的比值（不宜大于1.2，不应大于1.5）及最大层间位移与平均层间位移的比值（不宜大于1.2，不应大于1.5）见表2，从中可以看出结构在风荷载和地震作用下的位移均能很好地满足规范限值。
（3）楼层最小地震剪力的控制
GB50011-2001及JGJ3—2002规范中，均没有对6度设防烈度区的楼层最小地震剪力系数值作限制，故本工程不予考虑。
结构位移表表2
工况 X向 Y向
地震力
作用下 -5%偶然信心地震力作用 +5%偶然信心地震力作用风荷载
作用下地震力
作用下 -5%偶然信心地震力作用 +5%偶然信心地震力作用风荷载
作用下
最大层间位移角 1/3501 1/3296 1/3733 1/7311 1/4541 1/4896 1/4317 1/7971
最大层间位移与层 1.15
(1) 1.22
(1) 1.08
(1) 1.02
(1) 1.08
(1) 1.08
(1) 1.19
(1) 1.02
（10）
最大层间位移与平均层间位移的比值 1.15
(1) 1.22
(1) 1.08
(1) 1.05
(1) 1.10
(1) 1.08
(1) 1.21
(1) 1.05
（10）

（4）短肢剪力墙与一般剪力墙刚度比的控制
短肢剪力墙及一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩见表3。由表中数据可见，本工程一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩小于结构总底部地震倾覆力矩的50%，满足JGJ3—2002规范第7.1.2条的规定。
底部地震倾覆力矩表3

短肢剪力
墙倾覆力矩一般剪力墙
倾覆力矩一般剪力墙倾
覆力矩百分比
X向地震 12230.3 15310.6 55.59%
Y向地震 13534.1 21071.4 60.89%

五结构设计的主要技术措施
5.1短肢剪力墙设计　
为了保证结构有足够的抗侧刚度，设计中将电梯井道与楼梯间的剪力墙形成本结构的核心筒，其余剪力墙采用短肢剪力墙通过连梁连接，形成了具有一定抗侧力的短肢剪力墙结构体系。由于短肢剪力墙的肢长较短，故截面配筋型式参照异形柱（见图3），纵向钢筋间距不大于200mm，箍筋肢距不大于300mm，箍筋间距100mm。

图3短肢剪力墙截面配筋示意图
5.2连梁设计　
本工程中，由于剪力墙数量较多，且比较分散，布置均匀，墙肢较短，各片剪力墙之间抗侧刚度相差不大，在水平力作用下，每片剪力墙受力较均匀，因此，构成剪力墙壁的主要构件连梁无超筋现象。跨高比≥5的连梁按框架梁进行设计（顶层处按连梁的构造要求配筋），其余连梁按JGJ3—2002中第7.2.26条的规定设计。为保证楼层处的梁连成一个整体，框架梁、连梁及暗梁设有一定数量的纵向钢筋拉通。
5.3楼板设计
由于核心筒处的楼板受到电梯井及楼梯开洞的削弱，使得核心筒上下两部分平面的连接较为薄弱，故与建筑专业协商，要求该部分楼板的连接宽度不小于5m，并在设计时加厚为200mm，配双层双向通长筋ф12＠200。为加强建筑物的顶部约束，提高抗风、抗震能力，顶层楼板加厚为120mm。
六短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节及概念设计
短肢剪力墙结构是介于框架-剪力墙结构和一般剪力墙结构之间的一种结构形式，其抗震薄弱环节是建筑平面外边缘及角点处的墙肢、“一字形”短肢剪力墙及连梁。高层结构中连梁是一个耗能构件，连梁的剪切破坏会使结构的延性降低，对抗震不利，故连梁设计中应按“强剪弱弯”的原则进行，如对跨高比≥5的连梁应按框架梁进行设计，以保证连梁的受弯屈服先于剪切破坏。
七结束语
作为剪力墙结构体系的分支，短肢剪力墙结构由于结构布置方面的灵活性和可调整性，使其各项技术经济指标均较一般剪力墙结构理想，因而在小高层住宅楼结构设计中已被广泛采用。设计短肢剪力墙结构时，应区别于一般剪力墙结构，多结合住宅特点，使结构刚柔适中，并运用抗震概念设计的原则，采取有效的抗震措施，注重细部设计，从而做到结构设计安全、经济、适用。