探讨高层剪力墙结构设计超限问题

　　剪力墙结构中,与剪力墙连接的梁称为连梁。剪力墙是一种承受弯剪共同作用的构件。在外力作用下,可能出现剪切破坏,也可能出现弯曲破坏。联系墙肢的连梁,对剪力墙的受力产生较大的影响,其本身的受力条件也比较复杂。一般情况下,连梁跨高比较小,而与之相连的剪力墙刚度却很大。因此,连梁超筋超限是剪力墙结构设计中的一种常见现象。如果连梁发生破坏,各墙肢间就会失去约束而形成几个单独受力的墙肢;个别连梁的破坏会引起其他连梁及墙肢间的内力重分布,进而造成整片剪力墙水平位移加大,承载能力下降。震害调查和实验结果均表明,连梁的破坏会导致剪力墙最终丧失承载能力。

　　1超限剪力墙连梁的一般处理方法

　　房屋高度超过《高规》4.2.2条中表4.2.2-1中规定的高层建筑工程，对于表4.2.2-1我们要注意三点：1.平面和竖向均不规则的结构或Ⅳ类场地上的结构，最大适用高度应降低20%。2.甲类建筑，6、7、8度按提高一度确定最大适用高度。3.具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构的最大适用高度，7度和8度抗震设计时分别不应大于100m和60m。

　　连梁超筋超限实质是剪力不能满足《高层混凝土结构技术规程JGJ3-2002J186-2002》7.2.23条规定的剪压比的要求。该规程第7.2.25也给出了对这一情况的一般处理方法:

　　(1)增加洞口高度,减小连梁的计算截面

　　(2)结构计算中对连梁刚度折减及对连梁内力调幅处理

　　一般情况下,经全部调幅(包括计算中连梁刚度折减和对计算结果的后期调幅)后的弯矩设计值不小于调幅前(完全弹性)的0.8倍(6、7度)和0.5倍(8、9度)。

　　(3)连梁的铰接处理

　　当连梁的破坏对承受竖向荷载无明显影响(连梁不作为次梁的支承梁)时,可假定该连梁在地震下破坏,对剪力墙按独立墙肢进行第二次多遇地震作用下的结构内力分析(为减小结构计算工作可将连梁按两端铰接梁计算),当结构位移仍能满足规范要求,剪力墙配筋应按两次计算所得的较大内力进行配筋设计(一般情况下,连梁铰接处理后,墙的计算结果较大),以保证墙肢的安全。连梁“铰接”配筋,同时上部钢筋按构造设置，确保连梁剪力墙的真正“铰接”。

　　在实际设计工作中,工程师通常也是按照这个步骤来解决剪力墙连梁超筋超限问题的。同时可能采取降低连梁内力的各种措施:如增大剪力洞口宽度、连梁中部设水平缝、对局部内力过大层连梁进行调整、增设结构洞口、提高混凝土强度等等,但是往往出现设计不满足规范要求的情况。对于此,可以采用连梁的抗震概念设计方法对其进行计算、设计。

　　2超限连梁的概念设计

　　针对连梁的破坏对承受竖向荷载无明显影响情况,也可采用概念设计方法对连梁承受的内力配筋进行再调整,使调整后的连梁在首先满足截剪压比的条件,并满足强剪弱弯的条件下,限制受弯钢筋使连梁的抗弯承载力维持在一定的水平。目前使用以下方法对结构进行近似计算。首先将超限连梁截面高度减小一半,重新电算,若修改后电算结果的剪力设计值不超过原截面计算的剪力设计值时,即可停止再算。剪力墙各墙肢及其它连梁,按二次计算结果的较大值设计。

　　2.1连梁的箍筋设计

　　抗震设计时,跨高比大于2.5时,按《高层混凝土结构技术规程JGJ3-2002J186-2002》式(7.2.23-2)右式与式(7.2.24-2)右式相等:

　　跨高比不大于2.5时,按《高层混凝土结构技术规程JGJ3-2002J186-2002》式(7.2.23-3)右式与式(7.2.24-3)右式相等:

　　从以上两个等式可得出抗震设计时超限连梁的最大配箍面积。

　　2.2连梁的纵筋设计

　　可根据实际连梁与计算连梁有效高度的比值,对计算的连梁纵向钢筋面积进行调整,近似计算出实际连梁的纵向钢筋面积。纵向钢筋应同时满足最小、最大配筋率要求。

　　2.2.1最大配筋率

　　连梁剪力

　　当连梁跨度ln较小时可假设:

　　———抗震等级不同时取值不同

　　近似取以《高层混凝土结构技术规程JGJ3-2002J186-2002》式(7.2.23-2、3)代入即可求得超限连梁的最大纵筋面积。

　　2.2.2最小配筋率

　　特别注意连梁纵筋最小配筋率。其原因是:连梁对剪切变形敏感,剪压比的限制严格,如果按我国规范和规程的一般框架梁的最小配筋率要求,那么在跨高比较小且抗震等级较高时,有可能不满足剪压比要求。因此跨高比大于1.5的连梁受弯最小配筋率可按一般框架梁的要求选用,跨高比小于1.5的连梁受弯最小配筋率可参照表1选用。

　　表1跨高比小于1.5的连梁纵筋最小配筋率

　　跨高比最小配筋率(取较大值)

　　L/h≤0.5 0.2,25ft/fy

　　0.5　　1.0　　3工程实例

　　本工程为松山湖1号花园三期二标段项目，位于广东省东莞市松山湖科技产业园区。该项目地东邻莞深高速，西拥松山湖，北倚一期别墅区(已建)，西北与松山湖管委会、凯悦大酒店隔湖相望。此标段用地西边是本期的一标段低层住宅区，及与滨湖路之间间隔50米宽的绿化带，北面与松山湖1号花园一期隔湖相望。三角型状地形;南北端地势基本持平,中间有2~3米的起伏，东西段有4~5米高差,临湖一面低,最高标高为38.80米，最低标高为27.40米。

　　本工程共B1、B2、B3、B4、C五种住宅，分为枫林湖1栋~7栋及樱花湖1栋~16栋;均为9~20层的高品质的小高层和高层住宅。其中枫林湖1～4栋无地下室，其余各栋均有一层地下室，地下室用途为停车库。

　　3.1设计依据

　　根据《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068-2001)，本工程主体结构设计使用年限为50年;

　　本工程位于广东省东莞市松山湖科技产业园区，根据《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)(2006年版)，本工程50年一遇的基本风压为0.55KN/m2，100年一遇的基本风压为0.65KN/m2。根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)(2008年版)，本工程建筑物的抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.05g。建筑场地类别为Ⅱ类。

　　3.2计算配筋比较

　　由计算结果可知,超限连梁主要集中在刚度较大的核心筒附近。住宅项目对门窗洞口、剪力墙布置等可调整的范围较小,因此主要通过增加洞口高度解决连梁超限的问题。将超限连梁高度减小一半,重新电算后,墙肢内力变化很大,并引起新的连梁超限。其中第8层的计算结果比较见图1、图2(图中仅显示超限连梁的配筋)所示。

　　图1第8层第一次计算结果(实际连梁高度)

　　图2第8层第二次计算结果(超限连梁高度减小一半)

　　3.2位移角比较

　　对两次电算结果的最大值层间位移角的比较见表2。

　　表2二次计算结果最大值层间位移角比较

　　最大值层间位移角第一次计算

　　(实际连梁高度) 第二次计算

　　(超限连梁高度减小一半)

　　X方向 1/1556 1/1346

　　Y方向 1/1276 1/1207