对短肢剪力墙结构设计的探讨

李红梅

（化学工业第二设计院宁波工程有限公司，浙江 宁波 315040）

随着社会的发展，经济水平的提高，住房条件的改善，上世纪90年代起逐渐兴起许多小高层住宅的建设，其中有大量11层、12层的小高层住宅。短肢剪力墙正广泛应用于小高层住宅建筑中。“短肢剪力墙结构”是在原有剪力墙的基础上，吸收了框架结构的优点，逐步发展形成的能适应人们新的住宅观念的高层住宅的结构型式。这种新的结构体系由于在很大程度上克服了普通框架与普通剪力墙结构的缺点，受到了建筑师的肯定。短肢剪力墙结构体系便于利用中部竖向交通区形成较为完整的筒体，外围布置短肢剪力墙保持墙面平整，墙肢布置灵活，同时降低了建筑结构的混凝土用量，所以很受开发商的欢迎。新版《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002针对这种趋势和要求，适时对短肢剪力墙作出了规定。即：短肢剪力墙是墙肢长度和厚度比大于等于5而小于等于8的剪力墙，通常短肢剪力墙采用“T”形、“L”形、“]”形、“Z”、“+”形等形式，偶尔也采用“一”字形。短肢剪力墙结构既保留了异形柱不凸出墙面的优点,又克服了异形柱框架抗震性能不理想等缺点。《高层建筑混凝土结构技术规程》具体规定了短肢剪力墙的构造加强措施。

1 短肢剪力墙结构布置特点

短肢剪力墙结构体系的布置要点是：（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1m～1.2m之间比较经济，小墙肢尽量避免。

2 短肢剪力墙结构及其计算

短肢剪力墙结构是适应建筑要求而形成的特殊的剪力墙结构。其计算模型、配筋方式和构造要求均同于普通剪力墙结构。在TAT、TBSA中，只需按剪力墙输入即可，而且TAT、TBSA更适合用来计算短肢剪力墙结构。TAT、TBSA所用的计算模型都是杆件、薄壁杆件模型，其中梁、柱为普通空间杆件，每端有6个自由度，墙视为薄壁杆件，每端有7个自由度（多一个截面翘曲角，即扭转角沿纵轴的导数），考虑了墙单元非平面变形的影响，按矩阵位移法由单元刚度矩阵形成总刚度矩阵，引入楼板平面内刚度无限大假定减少部分未知量之后求解，它适用于各种平面布置，未知量少，精度较高。但是，薄壁杆件模型在分析剪力墙较为低宽、结构布置复杂（如有转换层）时，也存在一些不足，主要是薄壁杆件理论没有考虑剪切变形的影响，当结构布置复杂时变形不协调。而短肢剪力墙结构由于肢长较短（一般为墙厚的5到8倍），本身较高细，更接近于杆件性能，所以，用TAT、TBSA计算短肢剪力墙结构能较好地反映结构的受力，精度较高。对设有转换层的短肢剪力墙结构，一般都只是将电梯间、楼梯间、核心筒和一少部分剪力墙落地，其于剪力墙框支。框支剪力墙是受力面向受力点过渡，由于薄壁杆件的连接处是点连接，所以用薄壁杆件模型不能很好地处理位移的连续和力的正确传递。因此，带有转换层的短肢剪力墙结构宜优先采用墙元模型软件（如SATWE）进行计算。当然，从整体上的内力（特别是下部支承柱的内力）分布情况来看，如果将剪力墙加以适当的处理，还是可以用TAT、TBSA对结构进行整体计算的。

3 短肢剪力墙结构设计需注意的问题

小高层点（板）式住宅采用短肢抗震墙结构体系，只要抗侧力构件布局合理，仍然是比较理想的一种结构体系，但在地震区，高层建筑中，剪力墙不宜过少，墙肢不宜过短，因此不应设计仅有短肢剪力墙的高层建筑，要求设置剪力墙筒体（或一般剪力墙），形成短肢剪力墙与筒体（一般剪力墙）共同抵抗水平力的结构。

短肢墙的布置合理、对称、均匀、力求质量中心与刚度中心重合，短肢墙布置应以T形、L 形、]形、+形为主，尽量避免一字形，这样可增加短肢墙抗扭性能和出平面外稳定性。

短肢剪力墙尽量不要布置在建筑平面外边缘的角部，因为当有扭转效应时，会加剧已有的翘曲变形，使其墙肢首先开裂，且对结构抗扭不利。布置在建筑平面外边缘也会增加短肢剪力墙承担的底部傾覆力矩。

主要抗侧力结构筒体（或长墙）一般利用楼、电梯间，但要注意刚度的均衡性，不要集中在一处布置使建筑产生过大的扭转效应，同时筒体要有足够的刚度，其平面尺寸不宜过小，要使筒体和一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不应小于结构总底部地震倾覆力矩的50%，形成多道抗震防线，为了确保水平力可靠传递。

短肢墙受力以承担竖向荷载为主，承担水平荷载为辅，其截面尺寸要适当，墙肢截面高度与厚度之比宜在5～8左右为好，且墙厚不小于200mm，短肢墙在重力荷载代表值作用下产生的轴力设计值的轴压比，抗震等级为一、二、三时分别不宜大于 0.5、0.6、0.7。对于无翼缘或端柱的一字形短肢剪力墙，因其延性更为不利，因此轴压比限值要相应降低0.1。

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，主要目的是从构造上改善短肢剪力墙的延性。

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%，其它部位不宜小于1.0%。

各短肢墙应尽量对齐、拉直，使之与连梁一起构成较规则且连续均匀的抗侧力片。并且每道短肢墙宜有两个方向的梁与之连接。

短肢墙的数量多少，肢长的长短，主要视抗侧力和扭转控制的需要而定，还可以通过不同尺寸和布置调整刚度和刚度中心位置。

短肢剪力墙一筒体（或一般剪力墙）结构体系，电算分析力学模型建议采用高层建筑结构空间有限元分析软件SATWE和TBWE，短肢剪力墙结构体系考虑，各部位宜取两种力学模型分析结果的不利工况，短肢墙之间的梁应根据跨高比的不同分别按连梁、框架梁计算内力和配筋，（一般情况下当短剪力墙洞口形成的跨高比小于5的连梁，应按连梁进行设计；当跨高比不小于5时，宜按框架梁进行设计），短肢墙仍属于剪力墙的范畴，配筋可采用一般剪力墙的计算方法。

4 结束语

短肢剪力墙的墙肢截面高度与厚度比小于 5的小墙肢，难以形成抗震性能好的联肢剪力墙。小墙肢刚度差，如果连梁刚度大（α≥10）就形成剪切变形为主的壁式框架，连梁刚度小（α<1）容易形成抗侧刚度差的独立墙，甚至异形柱框架，抗震性能都不好。所以《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-20027.2.5对墙肢的截面高度为厚度比小于5的小墙肢提出了严格轴压比要求。

联肢短肢剪力墙满足截面高厚比要求时，都能设计成抗震性能较好的联肢墙，不会形成独立墙肢，可放心使用。

无论计算结果是否满足规范要求，设计时都应注意尽量避免用小墙肢，特别是肢高比小于等于4的类似异形柱的墙肢。小墙肢容易形成壁式框架。

短肢剪力墙要和普通剪力墙配合工作。全短肢剪力墙结构在大震作用下，一旦连梁破坏，由于短肢剪力墙本身的抗侧刚度较小，结构侧刚退化过快，变形过大很不利。

[1]《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002.

[2]高立人等.《高层建筑结构概念设计》，中国计划出版社，2005.