彭建宇 张印涛

短肢剪力墙较多的剪力墙结构(以下简称短肢剪力墙结构)有利于住宅建筑布置,克服了框架结构露梁露柱的弊病,容易满足用户对平面灵活分割的要求。同时,通过使用轻质填充墙可大大减轻结构自重,减小结构的侧向刚度,增大结构的自振周期,减小结构地震时所遭受的地震作用。但由于这种新型结构形式抗震性能较差,地震区应用经验不多,为了安全起见,《高层建筑混凝土结构技术规程》(以下简称《高规》)对短肢剪力墙结构抗震设计的最大适用高度、使用范围等作了适当的限制,并规定了一系列的抗震加强措施。

1 工程实例

北京地区某住宅小区,其中多层住宅楼(4层～6层)11栋、高层住宅(12层)6栋、公共建筑1栋,共计18栋楼,总建筑面积约12万m2。为了满足开发商的要求,除公共建筑外,多层及高层住宅设计均采用短肢剪力墙结构方案。其中某栋高层住宅标准层结构平面布置见图1。

主体结构计算采用中国建筑科学研究院开发的SATWE程序进行分析计算。结构布置时结合建筑平面和使用功能,将横向一般剪力墙主要布置于房屋端部,以控制结构的扭转效应及横向侧移;将纵向一般剪力墙布置于房屋中部,以控制结构的纵向侧移;同时,在电梯间处布置剪力墙筒体,其他部位则布置短肢剪力墙。这样就形成了短肢剪力墙、一般剪力墙与剪力墙筒体共同抵抗水平力的剪力墙结构。经计算,纵横两方向短肢墙第一振型底部地震倾覆力矩百分比均小于50%,满足规范要求。

2 设计心得

2.1 关于短肢剪力墙的定义和布置

1)根据《高规》7.1.2条,短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5～8的剪力墙。各地方标准对短肢剪力墙的判定有所不同,例如按照《北京市建筑设计技术细则——结构专业》对短肢剪力墙的定义是:墙肢截面高度与厚度之比为5～8的剪力墙,但当墙肢两侧均与较强连梁(连梁跨高比 Lb/hb≤2.5)相连,或墙长虽然较短但与翼墙相连(其中翼墙长度不应小于翼墙厚度的3倍),这种情况下的墙肢不判定为短肢剪力墙。另外,广东省实施的《高规》补充规定的3.2.3条规定:当剪力墙截面厚度不小于层高的1/15,且不小于300 mm,高度与厚度之比大于4时仍属一般剪力墙。2)短肢剪力墙结构的特点是短肢剪力墙不仅要承担较大的水平力,还要承担建筑物大部分竖向荷载,有的工程达到80%以上。短肢剪力墙结构往往是由短肢剪力墙与跨度较大的楼板或梁(弱连梁)形成的结构,其结构体系类似于对抗震不利的较弱的框架或板柱框架结构。特别是较大面积连续布置短肢墙,将对进入弹塑性阶段后能否继续抵抗地震作用和承受竖向荷载造成危险。因此必须与一般剪力墙或剪力墙筒体共同使用,以增加抗震防线。高层建筑结构不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构。短肢剪力墙较多时,应布置筒体(或一般剪力墙),形成短肢剪力墙与筒体(或一般剪力墙)共同抵抗水平力的剪力墙结构。抗震设计时,筒体和一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50%[1]。同时,短肢剪力墙沿结构平面宜均匀布置,尽量做到对齐、拉直,使结构的刚心和质心接近重合,以减少结构的扭转效应。对于多层短肢剪力墙结构而言,各层短肢剪力墙的总截面面积不应超过本层总剪力墙截面面积的2/3,任一层短肢剪力墙承受的水平剪力不应小于总基底剪力的20%。

2.2 关于结构计算分析

短肢剪力墙结构的计算,首先要选用合适的计算软件,合理地选择计算分析方法,确定计算模型和相关参数,并加强对计算结果合理性的判断,特别要加强概念设计。一般来说,短肢剪力墙是由于对一般剪力墙进行大开口而形成的,所以,基本上与普通剪力墙结构分析相同,可采用三维杆系—薄壁柱空间分析方法,或空间杆—墙组元分析方法。前者如建研院的TBSA,TAT,广东省建筑设计院的广厦CAD的SS模块,后者如建研院的TBSSAP,SATWE,清华大学的TUS,广东省建筑设计院的SSW等。其中空间杆—墙组元分析方法的计算模型更符合实际,精度更高。

2.3 抗震薄弱环节及加强措施

有关振动台模拟地震试验结果表明,建筑平面外边缘及角点处的墙肢、底部外围的小墙肢、连梁等是短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节。当有扭转效应,建筑平面外边缘及角点处的墙肢会首先开裂;在地震作用下,高层短肢剪力墙结构将以整体弯曲变形为主,底部外围的小墙肢,截面面积小且承受较大的竖向荷载,破坏严重,尤其以一字形小墙肢破坏最为严重[2]。在短肢剪力墙结构中,由于墙肢刚度相对减小,使连梁受剪破坏的可能性增加。因此,在短肢剪力墙结构设计中,针对这些薄弱环节,应加强概念设计和抗震构造措施。

1)短肢剪力墙在平面上分布应力求均匀,使其刚度中心和建筑物质心尽量接近,以减小结构的扭转效应;适当增加建筑平面外边缘及角点处的墙肢厚度(宜取250 mm,对底部外围的小墙肢根据需要可取用300 mm),加强墙肢端部的暗柱配筋,严格控制墙肢截面的轴压比不超过0.6,以提高墙肢的承载力和延性。2)短肢剪力墙的抗震等级应比一般剪力墙的抗震等级提高一级采用。短肢剪力墙的剪力设计值,不仅底部加强部位应按规范调整,其他各层也要作相应调整,一、二级抗震等级应分别乘以增大系数1.4和1.2;抗震设计时,短肢剪力墙截面的纵向钢筋的配筋率,底部加强部位不宜小于1.2%,其他部位不宜小于1.0%。3)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,设计时应注意对连梁进行“强剪弱弯”的验算,保证连梁的受弯屈服先于剪切破坏;短肢剪力墙宜在两个方向均有梁与之拉结,连梁宜布置在各肢的平面内,尽量避免采用一字形墙肢。4)一字形短肢剪力墙平面外不宜布置与之单侧相交的楼面梁。当剪力墙外墙(如窗间墙)作为跨度大于6 m的大梁支座时,地震时在梁侧剪力墙上可能出现竖向裂缝,如果弯矩较大,而剪力墙平面外刚度和承载力不足,会出现平面外的破坏;而目前有些计算软件未给出剪力墙平面外的内力和配筋,容易产生安全隐患,设计人应给予充分的注意。5)对于墙肢截面高度为厚度3倍～5倍的剪力墙,如按框架柱配筋设计时,结合剪力墙的受力特点,墙肢端部的主筋宜适当加大,墙肢中部的主筋宜适当减小;同时,箍筋配置量应满足剪力墙水平分布钢筋计算要求。

3 结语

对于短肢剪力墙结构,结构工程师在设计中应充分重视概念设计,根据构件受力的特点,充分了解其破坏的各种机理,对称、均匀地合理布置短肢墙,正确掌握计算机分析和截面设计方法,采取有效的抗震构造措施,注重细部设计,不断地总结经验,努力做到结构设计安全、经济、适用。

[1]JGJ 3-2002,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2]程绍革.高层建筑短肢剪力墙结构振动台试验研究[J].建筑科学,2000,16(1):12-16.