小高层建筑中短肢剪力墙结构设计

吴永平

摘要:近年来短肢剪力墙体系在房地产市场上颇受欢迎,这种体系在布置上具有较大的灵活性且造价较低,尤其适合建造住宅建筑。文章对短肢剪力墙体系在小高层建筑设计中的应用进行了分析,指出了短肢剪力墙结构布置特点和设计思路。

关键词:短肢剪力墙;小高层建筑;受力分析;结构设计

中图分类号:TU398文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)22-0149-02

房屋或构筑物中主要承受风荷载或地震作用引起的水平荷载的墙体。防止结构剪切破坏。又称抗风墙或抗震墙、结构墙。分平面剪力墙和筒体剪力墙。平面剪力墙用于钢筋混凝土框架结构、升板结构、无梁楼盖体系中。为增加结构的刚度、强度及抗倒塌能力,在某些部位可现浇或预制装配钢筋混凝土剪力墙。现浇剪力墙与周边梁、柱同时浇筑,整体性好。筒体剪力墙用于高层建筑、高耸结构和悬吊结构中,由电梯间、楼梯间、设备及辅助用房的间隔墙围成,筒壁均为现浇钢筋混凝土墙体,其刚度和强度较平面剪力墙高可承受较大的水平荷载。

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;高层建筑结构不应采用全部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。

一、短肢剪力墙结构布置特点

通过大量的工程实践可以看出,短肢剪力墙在结构中的合理布置是很重要工作,对调整结构刚度,降低剪力墙混凝土用量很有帮助。短肢剪力墙结构体系的布置要点和经验是:

1.结合建筑平面,利用间隔墙位置来布置竖向构件,基本上可以做到不与建筑使用功能发生矛盾。

2.短肢剪力墙的数量多少要精心设计,肢长截面的高厚比必须在5～8的范围内,主要视抗侧力和扭转控制的的需要而定,可通过不同的尺寸和布置来调整结构的刚度中心位置。

3.要灵活布置,可选择的方案较多时,要使楼盖方案尽量简单。

4.连接各墙肢的连梁,与墙等宽,可隐蔽布置。如果短肢剪力墙的长度已无法调整,可以通过调整连梁高度来调整结构整体刚度和刚度中心。

5.根据建筑平面的抗侧刚度的需要,利用中心剪力墙,形成主要的抗侧力构件,较易满足刚度和强度要求。

6.短肢剪力墙的肢长在1～1.2m之间比较经济,小墙肢尽量避免。

二、短肢剪力墙结构设计

短肢剪力墙结构常用的有“T”字型、“L”型、“十”字型、“Z”字型、折线型、“一”字型。这种结构型式的特点是:

1.结合建筑平面,利用间隔墙位置来布置竖向构件,基本上不与建筑使用功能发生矛盾。

2.墙的数量可多可少,肢长可长可短,主要视抗侧力的需要而定,还可通过不同的尺寸和布置来调整刚度中心的位置。

3.能灵活布置,可选择的方案较多,楼盖方案简单。

4.连接各墙的梁,随墙肢位置而设于间隔墙竖平面内,可隐蔽。

5.根据建筑平面的抗侧刚度的需要,利用中心剪力墙,形成主要的抗侧力构件,较易满足刚度和强度要求。

对20层左右的高层住宅,国内采用比较多的是框架一剪力墙体系或全剪力墙体系。根据平面布置的特点,通常利用中部的竖向交通区设置较多的剪力墙,组成一个较完整或基本完整的筒体,而外围部分则要视建筑的平面布局而定,可以布置为框架或剪力墙,形成框架-剪力墙体系或全剪力墙体系。

框架-剪力墙体系虽有可使建筑布置灵活、受力明确、计算简单等优点,但由于房间布置一般都不规整,柱网难以布置,而且因框架柱子断面较大,不论如何布置柱网,都会存在柱截面大于隔墙厚度而造成房间内柱子外露,影响美观和家具布置,在平面复杂多变的情况下,结构布置难趋合理,结构计算分析困难。

全剪力墙体系抗震潜力大,结构延性好,作为分隔墙能与建筑平面较好地配合,而且房间内没有梁柱外露,能满足住宅的使用要求,可以避免上述框架-剪力墙结构的缺点。但从另外的角度看,根据经验,按传统的剪力墙布置方法用于高层住宅,即使是25层左右的建筑,剪力墙的配筋仍然是构造配筋,即全剪力墙结构体系的功能水平很高,用在此类建筑中存在一定程度的浪费。

为了发挥各种结构体系的优点,使结构既有足够的抗侧能力,又能减轻结构自重,减少结构费用,可以采用一种新的结构形式——短肢剪力墙结构,简称短肢墙。

短肢剪力墙属于剪力墙结构体系,只不过采用的墙肢较短(通常认为肢长为2m左右或以下),而且通常采用T形、L形、[形甚至是十字形,当然也可以采用部分“一”形。由于排列不够整齐、规律,肢长又比较短,所以与普通剪力墙结构体系不同。当肢长相当短(肢长小于4倍墙厚)时,它已接近于柱的形式,但并非方形或矩形,因此也称之为异型柱。目前短肢墙和异型柱之间没有统一明确的界限和定义,但是无论名称如何,它是由框架柱和剪力墙演变而来,并兼具两者的优点,这一点是肯定的。

三、短肢剪力墙的受力特点

短肢剪力墙一般形成联肢墙共同工作,连梁十分重要。如果连梁相对墙肢的刚度太弱,墙肢之间的联系就很差,联肢墙退化成连梁铰接的两个独立墙肢。如果连梁相对墙肢的刚度太强,情况就大不相同。我们知道剪力墙是以弯曲变形为主的构件,在水平力作用下如同悬臂梁,弯矩图没有反弯点,变形以弯曲变形为主。联肢墙由于连梁约束弯矩的作用,墙肢弯矩图在连梁约束处突变,从反弯点角度看,可能没有反弯点或很少楼层有反弯点(图1),这时联肢墙变形以弯曲变形为主;反之如果反弯点很多,说明洞口很大但梁墙刚度比也大,这时联肢墙受力特点类似框架称为壁式框架,剪切变形不能忽略,甚至以剪切变形为主。工程设计时即要避免联肢短肢剪力墙形成壁式框架。上述原则理论上可归纳为同时满足式(1)和式(2)的要求。

式中:

I剪力墙对组合截面形心的惯矩,In扣除墙肢惯矩后的剪力墙惯矩(各墙肢对组合截面形心的面积二次矩之和),α剪力墙整体参数,α的物理意义反映了连梁与墙肢刚度间的比例关系,体现墙的整体性,具体判别如下:当α<1时连梁对墙肢的约束作用很弱,各墙肢按单肢墙分别计算。α≥10时可认为连梁约束作用很强,可以按整体小开口墙或壁式框架计算。

同时满足式(1)和式(2)是联肢剪力墙;满足式(1)但α≥10是整体小开口墙;不满足式(1)只满足α≥10是壁式框架。

四、结语

剪力墙结构具有较好的抗震性能,且结构布置灵活,造价低,经济性好,所以高层住宅较多的使用这种结构形式。经过对设计、施工和使用中发现的问题进行总结,进一步优化,这种结构形式的小高层住宅是值得发展的住宅模式。

参考文献

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