劉加良

（廣東 佛山 528000）

淺議高層建筑短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉加良

（廣東 佛山 528000）

鋼筋混凝土短肢剪力墻結(jié)構(gòu)具有墻肢可靈活布置，給建筑較大的靈活空間；剪力墻數(shù)量較少，減輕了自重，減小了水平地震作用，降低了鋼筋混凝土的用量等優(yōu)點，因此得到了廣泛運用。文章對高層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了探討。

高層建筑；短肢剪力墻；結(jié)構(gòu)設(shè)計

隨著城市住宅建筑設(shè)計的形式多樣化和可利用土地的逐漸減少，人們對住宅平面與空間的要求越來越高，普通框架結(jié)構(gòu)的露柱露梁、普通剪力墻結(jié)構(gòu)對建筑空間的嚴格限定與分隔已不能滿足人們對住宅空間的要求。短肢剪力墻特別是墻長不大于5倍墻厚的墻肢的抗震性能，從受力特性到構(gòu)件的安全儲備有別于普通剪力墻的性能。因此，設(shè)計中要把握“二階段三水準”的設(shè)計原則，針對具體工程、具體問題采取符合結(jié)構(gòu)概念的設(shè)計方法，滿足規(guī)范精神。實際應(yīng)用過程中也會出現(xiàn)這樣或那樣不盡如人意之處，如結(jié)構(gòu)偏保守、安全系數(shù)較低，造價不合理等，因此，對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行科學(xué)合理的優(yōu)化設(shè)計便成了設(shè)計中必不可少的程序。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的優(yōu)化過程

結(jié)構(gòu)方案剪力墻布置不合理，造成剛度過大且不均勻，重量增加導(dǎo)致地震反應(yīng)增強，并使上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)造價提高，因此，必須對此方案進行優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)更加安全科學(xué)合理。

優(yōu)化的結(jié)構(gòu)方案應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)平面形狀和剛度均勻?qū)ΨQ，短肢剪力墻雙向布置，盡量拉通、對直。豎向布置中，求規(guī)則均勻，避免有過大的外挑、內(nèi)收以及樓層剛度沿豎向突變，使整個房屋的抗側(cè)剛度中心靠近水平荷載合力的作用線，以免房屋發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

根據(jù)建筑的平面布置，在房間、樓梯間、電梯間的四角采用Z形、L形、T形或異形的墻肢。在設(shè)計過程中還應(yīng)注意同周期的關(guān)系，使結(jié)構(gòu)的第一自振周期避開場地特征周期，以免地基與結(jié)構(gòu)形成共振或類共振。既保證結(jié)構(gòu)在風(fēng)和地震荷載作用下的變形控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，又要保證建筑物有相對合理的自振周期，做到結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)濟、合理。

2 兩種方案的分析與比較

2.1 分析軟件介紹

SATWE是專門為多、高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計而研制的空間結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，適用于各種復(fù)雜體型的高層鋼筋混凝土框架、框剪、剪力墻、筒體結(jié)構(gòu)等，也適用于混凝土鋼混合結(jié)構(gòu)和高層鋼結(jié)構(gòu)。

2.1.1 SATWE的計算模型

SATWE是用墻元來模擬剪力墻。SATWE中的墻元是在板殼單元的基礎(chǔ)上構(gòu)造出的一種通用墻元，它采用靜力凝聚原理將由于墻元的細分而增加的內(nèi)部自由度消去，將其剛度凝聚到邊界節(jié)點上，從而保證了墻元的精度和有限的出口自由度，而且墻元的每個節(jié)點都具有空間全部6個自由度，可以方便地與任意空間梁、柱單元連接，而無需任何附加約束，同時也降低了剪力墻的幾何描述和板殼單元劃分的難度，提高了分析效率。

板殼單元是目前模擬剪力墻的最理想單元，SATWE選用這一單元并對墻元的細分和墻上開洞作了自動化處理。

2.1.2 SATWE在對樓板的處理上采用了四種不同的假定

（1）剛性樓板。假定樓板平面內(nèi)無限剛，忽略樓板平面外剛度。其中“假定樓板整體平面內(nèi)無限剛”多用于常規(guī)結(jié)構(gòu)；“假定樓板分塊平面內(nèi)無限剛”適用于多塔式錯層結(jié)構(gòu)。

（2）彈性樓板6。“彈性樓板6”采用殼單元真實計算樓板平面內(nèi)和平面外剛度，適用于板柱結(jié)構(gòu)和板柱——抗震墻結(jié)構(gòu)。

（3）彈性樓板3?！皬椥詷前?”假定平面內(nèi)剛度無窮大，面外剛度真實計算。適用于厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。

（4）彈性膜?！皬椥阅ぁ辈捎脷卧鎸嵱嬎銟前迤矫鎯?nèi)剛度，忽略樓板平面外剛度，適用于空曠的工業(yè)廠房和體育場館結(jié)構(gòu)、樓板局部開大洞結(jié)構(gòu)、樓板平面較長或者有較大的凹入以及弱連接結(jié)構(gòu)。

為提高計算效率，在保證一定的分析精度的前提下，針對不同類型的工程，采用不同的樓板假定。

2.2 結(jié)果分析

從構(gòu)件力學(xué)特性上來說，短肢剪力墻的肢長與肢厚比≥5，更接近于剪力墻，故計算時將短肢剪力墻作為剪力墻而不是柱考慮應(yīng)更合理。SATWE采用的是在每個節(jié)點有Ⅵ個自由度的殼元基礎(chǔ)上凝聚而成的墻元，模擬剪力墻墻元不僅具有平面內(nèi)剛度也具有平面外剛度，可以較好地模擬工程中剪力墻的真實受力狀態(tài)，計算結(jié)果較精確；同時，對樓板SATWE 可以考慮其彈性變形。雖然主樓結(jié)構(gòu)平面較規(guī)則，立面也無剛度突變現(xiàn)象，但由于剛度較大的電梯井處簡體有點偏置，會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的影響。為了計算準確，地震作用計算考慮了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)和5%偶然偏心的影響，取了20個振型計算。

2.2.1 自振周期的控制

考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時的自振周期（計算時自振周期折減系數(shù)取0.95），如表1（只列了前8個）所示。從中可得，優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期T4＝0.6545 s，平動為主的第一自振周期Tl＝2.0836 s，T4/T1＝0.3141﹤0.9，滿足高規(guī)（JGJ3－2002）第4.3.5 條的規(guī)定。

2.2.2 結(jié)構(gòu)位移的控制

風(fēng)荷載、地震荷載作用下最大層間位移角（應(yīng)≤1/1 000）、最大水平位移與層平均位移的比值（不宜大于1.2，不應(yīng)大于1.5）及最大層間位移與平均層間位移的比值（不宜大于1.2，不應(yīng)大于1.5），從中可以看出結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載和地震作用下的位移均能很好地滿足規(guī)范限值。

2.2.3 剪重比、剛重比控制

剪重比是反映結(jié)構(gòu)承受地震作用大小的指標之一。地震力計算不能偏大，但也不能太小，因為短肢剪力墻本身抵抗地震的能力較差。如果短肢剪力墻分配的地震力太大，則很有可能不滿足要求。新方案X方向的最小剪重比為0.84%，Y方向的最小剪重比為0.83%，根據(jù)“抗震規(guī)范”第5.2.5 條及第5.1.4 條要求的X、Y向樓層最小剪重比均為0.8%～1%。

剛重比是影響重力二階（p－△）效應(yīng)的主要參數(shù)，且重力二階效應(yīng)隨著結(jié)構(gòu)剛重比的降低呈雙曲線關(guān)系增加。高層建筑在風(fēng)荷載或水平地震作用下。若重力二階效應(yīng)過大則會引起結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)倒塌，故控制好結(jié)構(gòu)的剛重比，則可以控制結(jié)構(gòu)不失去穩(wěn)定。新方案X方向、Y方向的剛重比均滿足“高規(guī)”第5.4.4條的規(guī)定，所以各層均滿足要求。

2.2.4 軸壓比控制

軸壓比是體現(xiàn)墻肢抵抗重力荷載代表值作用下的能力。為了控制在地震力作用下結(jié)構(gòu)的延性，新的“高規(guī)”和“抗震規(guī)范”對剪力墻均提出了軸壓比的計算要求?！耙?guī)范”對短肢剪力墻（尤其一字墻肢）要求更高一些。原方案底部剪力墻最大軸壓比為0.58，新方案底部剪力墻最大軸壓比為0.59，上述方案出現(xiàn)的短肢剪力墻軸壓比小于規(guī)范規(guī)定值，即滿足要求。

2.3 優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟比較

為了與工程實際情況相符，假設(shè)混凝土的成本與混凝土的體積成正比，鋼筋的成本與鋼筋的體積成正比。在總造價上，暫不考慮模板及樓板等工程的造價影響，材料的單方造價混凝土為280元/m3，鋼筋為3 760元/t。通過以上兩種方案的電算分析指數(shù)表明，方案二的豎向結(jié)構(gòu)體系的截面面積雖然較小，但仍可保證滿足承載力、剛度、位移的要求。顯而易見，優(yōu)化后的方案不僅節(jié)約了業(yè)主的投資費用，更重要的是節(jié)約了資源。

2.4 優(yōu)化設(shè)計過程中其他應(yīng)注意的事項

本文針對小高層住宅樓的結(jié)構(gòu)特點，進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，在比原設(shè)計方案節(jié)省投資19.3%的情況下，使結(jié)構(gòu)受力更合理，整體變形能力和結(jié)構(gòu)吸能能力對抗震更為有利，但設(shè)計過程中還應(yīng)注意以下幾點：

（1）剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)是建筑平面外邊緣及角點處的墻肢，因而設(shè)計時在以上部位布置L 型或一字型短肢墻，受條件所限也出現(xiàn)了少量一字型短肢墻。設(shè)計時嚴格控制其軸壓比﹤0.6，且相差不應(yīng)太懸殊，以避免墻肢應(yīng)力差異過大。

（2）小高層建筑中的連梁是一個耗能構(gòu)件，對抗震不利。多、小高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中允許連梁的剛度有所下降，但應(yīng)注意短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中，墻肢剛度相對較小，連接各墻肢的梁已類似普通框架梁，而不同于一般剪力墻間的連梁，不應(yīng)在計算的總體信息中將連梁的剛度大幅下調(diào)，使其設(shè)計內(nèi)力降低，應(yīng)按普通框架梁的要求進行設(shè)計。

3 結(jié)束語

綜上所述，在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計方案優(yōu)化中，由于短肢剪力墻結(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，房間內(nèi)不會出現(xiàn)露梁露柱的現(xiàn)象，且短肢剪力墻的抗震性能也優(yōu)于異形柱剪力墻結(jié)構(gòu)。

Discussion on the Structural Design of Short Shear Wall in High-rise Building

Liu Jialiang

Reinforced concrete short shear wall structure with wall limbs has the advantages including being flexibly arranged, providing a large flexible space for building, reducing the number and weight of walls, reducing the horizontal seismic action, reducing the amount of reinforced concrete, etc. Therefore, it has been widely used. In this paper, structural design of shear wall in high－rise building is discussed.

high－rise building; short shear wall; structural design

TU973

A

1000－8136（2011）03－0050－02