淺談剪力墻結構設計

【論文關鍵詞】剪力墻 短肢剪力墻 加強部位 有限元
論文摘要：剪力墻結構設計包括墻肢、連梁布置、截面計算及配筋構造等。本文著重論述剪力墻設計中應著重注意以下問題：
　　1、剪力墻的布置；
　　2、有關短肢剪力墻設計。
　　一、剪力墻布置
　　剪力墻布置除應符合規(guī)程中有關規(guī)定外，在本文中進一步對剪力墻的布置提出了一些要求，其中關于短肢剪力墻和梁、墻布置都屬于本文著重闡述的內容。
　　1、雙向布置剪力墻及抗側剛度
　　高層建筑應有較好的空間工作性能，剪力墻結構應雙向布置，形成空間結構。在抗震結構中，應避免單向布置剪力墻，并宜使兩個方向抗側剛度接近，即兩個方向的自振周期宜相近。
　　另一方面，剪力墻的抗側剛度及承載力均較大，為充分利用剪力墻的能力，減輕結構重量，增大剪力墻結構的可利用空間，墻不宜布置太密，使結構具有適宜的側向剛度。
　　2、豎向剛度均勻
　　剪力墻布置對結構的抗側剛度有很大影響，剪力墻沿高度不連續(xù)，將造成結構沿高度剛度突變，所以應要求剪力墻自上到下連續(xù)布置。允許沿高度改變墻厚和混凝土等級，或減少部分墻肢，使抗側剛度沿高度逐漸減小。
　　 3、墻肢高寬比
　　細高的剪力墻容易設計成受彎曲破壞的延性剪力墻，從而可避免脆性的剪切破壞。在抗震結構中剪力墻結構應具有延性，設計中墻的高寬應比不應小于2。當墻的長度很長時，為了滿足每個墻段高寬比大于2的要求，可通過開設洞口將長墻分成長度較小、較均勻的獨立墻段，每個獨立墻段可以是整體墻，也可以是聯肢墻。
　　4、剪力墻洞口的布置
　　剪力墻洞口的布置，會極大地影響剪力墻的力學性能。因此，布置剪力墻洞口時應滿足以下3方面要求。
　　（1）規(guī)則開洞，洞口成列、成排布置，能形成明確的墻肢和連梁，應力分布比較規(guī)則，又與當前普遍應用程序的計算簡圖較為符合，設計結果安全可靠。同時宜避免使墻肢剛度相差懸殊的洞口設置；
　�。�2）對于錯洞剪力墻和疊合錯洞墻，二者都是不規(guī)則開洞的剪力墻，其應力分布復雜，容易造成剪力墻的薄弱部位，常規(guī)計算無法獲得其實際內力，構造比較復雜。其主要特點是洞口錯開距離很小，甚至疊合，不僅墻肢不規(guī)則，洞口之間形成薄弱部位，疊合錯洞墻比錯洞口墻更為不利，設計時應盡量避免。當無法避免疊合錯洞布置時，應按有限元方法仔細計算分析并在洞口周邊采取加強措施或采用其他輕質材料填充將疊合洞口轉化為規(guī)則洞口的剪力墻或框架結構；
　�。�3）具有不規(guī)則洞口剪力墻的內力和位移計算應符合規(guī)程的有關規(guī)定。目前除了平面有限元方法外，尚沒有更好的簡化方法計算。對結構整體計算中采用了桿系、薄壁桿系模型或對洞口作了簡化處理的其他有限元模型時，應對不規(guī)則開洞墻的計算結果進行分析、判斷，必要時應進行補充計算和校核。
　　5、剪力墻和加強部位
　�。�1）抗震結構中出現塑性鉸的部位應作為加強部位。而剪力墻頂層、樓電梯間墻等不宜作為加強部位，這樣作的目的是對塑性鉸部位可以有更明確的措施，與由于溫度、收縮等需要的加強措施區(qū)別；
　�。�2）剪力墻塑性鉸出現后，剪力墻應具有足夠的延性，剪力墻底部塑性鉸出現都有一定范圍，該范圍內應當加強構造措施，提高其抗剪切破壞的能力；
　�。�3）為安全起見，設計剪力墻時將加強部位范圍適當擴大，抗震設計時，一般剪力墻結構底部加強部位的高度可取墻肢總高度的1/8和底部兩層二者的較大值，當剪力墻高度超過150m時，為避免加強區(qū)太高，其底部加強部位的高度可取墻肢總高度的1/10。
　　二、短肢剪力墻設計要求
　　短肢剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比為5~8的剪力墻，一般剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比大于8的剪力墻。當截面高度與厚度之比小于3時，應按柱計算（當形成異型柱時，則應按異型柱的要求設計，但高層建筑中不允許采用異型柱框架結構），至于剪力墻高度與厚度之比大于3、又小于5的剪力墻，實際上也是短肢剪力墻，由于它們更弱，可以提出不宜采用小于5的墻肢，對這種小墻肢的軸壓比應修予更嚴格的限制，因此即使采用短肢剪力墻，也要盡可能使墻肢截面高度與厚度之比大于5。

　　近年興起的短肢剪力墻結構，有利于住宅建筑布置，又可進一步減輕結構自重，應用逐漸廣泛。但是由于短肢剪力墻抗震性能較差，地震區(qū)應用經驗不多，考慮高層住宅建筑的安全，其剪力墻不宜過少、墻肢不宜過短，可以對短肢剪力墻的應用范圍應在設計中加以限制，并采取一些加強措施。
　　1、應用范圍  
　　高層建筑結構不應采用全部為短肢剪力墻的剪力墻結構。設計時應注意：短肢剪力墻較多時，應布置筒體（或一般剪力墻），形成短肢剪力墻與筒體（或一般剪力墻）共同抵抗水平力的剪力墻結構；其次，具有較短肢剪力墻的墻的剪力墻結構最大適用高度應比規(guī)范中剪力墻結構的規(guī)定值適當降低，7度和8度抗震設計時分別不應大于100m和60m；第三，對于B級高度高層建筑和9度抗震設計的A級高度高層建筑，即使設置筒體，也不應采用具有較多短肢剪力墻的剪力墻結構；第四，如果在剪力墻結構中，只有個別小墻肢，不屬于這種短肢剪力墻與筒體共同工作的剪力墻結構。
　　2、加強措施
　　對于短肢剪力墻設計中應著重以下加強措施。
　�。�1）為限制過多的剪力墻的數量，在抗震設計時，筒體和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構總底部地震傾覆力矩50%；
　�。�2）抗震設計時，短肢剪力墻的抗震等級應比規(guī)范中規(guī)定的剪力墻的抗震等級提高一級采用；目的是從構造上改善短肢剪力墻的延性；
　�。�3）出于改善延性的考慮，抗震設計時，各層短肢剪力墻在重力荷載代表值作用下產生的軸力設計值的軸壓比，抗震等級為一、二、三時分別不宜大于0.5、0.6和0.7（對一般剪力墻，三級抗震等級時軸壓比未限制）；對于無翼緣或端柱的一字形短肢剪力墻，其延性更為不利，因此軸壓比限值要相應降低0.1；
　　 （4） 對于短肢剪力墻的剪力設計值，不僅底部加強部位應調整，其他各層也要調整，一、二、級抗震等級應分別乘以增大系數1.4和1.2，目的是避免短肢剪力墻過早剪壞；
　�。�5）短肢剪力墻截面的縱向鋼筋的配筋率，底部加強部位不宜小于1.2%，其它部位不宜小于1.0%；
　�。�6）對于短肢剪力墻截面最小厚度，無論抗震還是非抗震設計，其厚度都不應小于200㎜；對于非抗震設計，除要求建筑最大適用高度適當降低外，對墻肢厚度限制的目的是使墻肢不致過小。
　　總之，在剪力墻布置中洞口宜上下對齊使之受力明確，盡量避免出現錯洞與疊合錯洞的出現。在短肢剪力墻設計中應注意其肢長、加強部位、構造要求等要求。
　　參考資料：
　　[1]呂文、錢稼茹，基于位移延性剪力墻抗震設計《建筑結構學報》1999.3 。
　　[2]《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》中國建筑工業(yè)出版社。
　　[3]袁端眼、虞煥新，《工程結構》同濟大學出版社。
　　[4]《全國民用建筑工程設計技術措施·結構》中國建筑標準設計研究院。

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