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摘要 短肢剪力墙结构作为一种新的住宅结构形式,是在原有剪力墙的基础上吸取框架结构的优点,有利于住宅建筑布置,又可进一步减轻结构自重。探讨短肢剪力墙结构的定义与特点优势及其设计要点。
关键词 高层建筑;短肢剪力墙;结构设计
中图分类号 TU97 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2010)082-0080-01
短肢剪力墙结构是一个结构领域的新名词,确切的应称其为较多短肢的剪力墙结构,它是近年来兴起的,由于其有利于住宅建筑布置,进一步减轻了结构自重,从而降低了基础及上部结构的造价,很得建筑发展商的青睐,应用也逐渐广泛起来。
1 短肢剪力墙
随着人们对住宅,特别是小高层及多层住宅平面与空间的要求越来越高,原来普通框架结构的露柱露梁、普通剪力墙结构对建筑空间的严格限定与分隔已不能满足人们对住宅空间的要求。于是经过不断的实践和改进,以剪力墙为基础,并吸取框架的优点,逐步发展而形成一种能较好适应小高层住宅建筑的结构体系,即所谓“短肢剪力墙一筒体”结构体系。
1)短肢剪力墙高厚比的要求:①短肢剪力墙与一般剪力墙的区分。《高层建筑混凝土结构技术规程》(以下简称《高规)中7.1.2条规定,短肢剪力的高厚比是5～8,而一般剪力墙的高厚比大于8。②短肢剪力墙与异型柱的区分。《异型柱规范》中7.1.1条规定,异型柱是截面几何形状为L形、T形和十字形,且截面各肢的高厚比不大于4的柱,这样就与《高规》中7.1.2条的规定出现不衔接的情况,即墙肢高厚比在4～5之间的构件应按异形柱设计还是按短肢剪力墙设计?《混凝土规范》中l0.5.1条规定,当构件截面的长边大于其短边的4倍时,宜按墙的要求设计。
2)短肢剪力墙的判定在实际中,由于L形、T形、十字形和Z形的短肢剪力墙的大量应用,比一字形短肢剪力墙的抗震性能强,延性及平面外稳定性较好,所以规范要求短肢剪力墙尽可能设置翼缘。PKPM(结构计算软件)规定,短肢剪力墙必须是不超过两个墙肢且每个墙肢高厚比都小于8的剪力墙,软件按此定义搜索和判断短肢剪力墙。
2 短肢剪力墙结构
任何规范中都没有将短肢剪力墙单独划分为一种结构类型,而是将其称为“短肢剪力墙较多的剪力墙结构”,即其仅是剪力墙结构的一种特殊形式,并且规定高层建筑结构不采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构,其所包含的普通剪力墙(主要指结构平面中部由剪力墙构成的简体,如楼梯间)不能太少。
短肢剪力墙结构的构造要求同一般剪力墙结构。目前我国各设计院在短肢剪力墙的结构设计中,剪力墙端部暗柱的设置有两种形式:一种是端部做暗柱,设置剪力墙水平和竖向分布筋,适于肢长较长的短肢剪力墙;另一种有点类似异形柱的配筋方法,以腹部均匀配筋,腹部钢筋面积根据电算时人为设置竖向分布筋的配筋率来计算,电算出的暗柱钢筋面积放在端部,适于肢长较短的短肢剪力墙,且配筋形式较简化,利于工程施工。
短肢剪力墙的连梁应进行正截面极限承载力计算和斜截面抗剪极限承载力计算。目前,短肢剪力墙正截面极限承载力计算多采用构建截面分析的一般方法—全过程分析方法;连梁的正截面配筋,按矩形截面构件计算,取上、下配筋的较大值,按对称配筋置于梁截面上、下部位,按斜截面抗剪计算所得的箍筋沿全跨加密设置。另外,短肢剪力墙的连梁在进行抗震设计时,其弯矩和剪力进行塑性调幅,以降低其剪力设计值;当部分连梁降低弯矩设计值后,应相应提高其余部位连梁和墙肢的弯矩设计值;为避免在使用过程中连梁中裂缝开展过早、过大,当内力计算时连梁的刚度已经折减,则应限制其调幅的范围或不再调幅。
3 短肢剪力墙延性设计
3.1 短肢剪力墙布置
短肢剪力墙的布置要合理、对称、均匀、力求质量中心与刚度中心重合,短肢剪力墙布置应以T形、L形、Z形和十字形为主,这样可增加短肢剪力墙抗扭和平面外稳定性.主要抗侧力结构简体(或长墙)一般利用楼梯、电梯,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,同时简体要有足够的刚度,其平面尺寸不宜过小,要使简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%,形成多道抗震防线,为了确保水平力可靠传递,核心区楼板适当加厚,与核心筒相连的连梁按强剪弱弯设计,每两短肢墙之间的梁净跨不宜过小,应使其具有一定的耗能作用。
3.2 短肢剪力墙的轴力设计值和剪力设计值
短肢剪力墙受力以承担竖向荷载为主,承担水平荷载为辅,短肢剪力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I、Ⅱ、Ⅲ级时分别不宜大于0.5、0.6、0.7。对于无翼缘或端柱的一字形短肢剪力墙,因其延性不佳,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。对于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,其他各层也要调整,I、Ⅱ级抗震等级轴压比应分别乘以增大系数1.4和1.2,主要目的是避免短肢剪力墙过早剪坏。
3.3 短肢剪力墙配筋
1)短肢剪力墙约束边缘构件配箍特征值宜按相同轴压比的框架柱提高一级,取轴压比小于0.3的短肢剪力墙及非加强部位的短肢剪力墙,其边缘构件的构造设置应较一般剪力墙高,宜按表1配置。
2)短肢剪力墙的截面高度一般在1200～200mm之间,其约束边缘构件长度L可统一取450mm;短肢剪力墙的边缘构件的纵向配筋除满足规范要求外,其纵向钢筋最小配筋率宜按框架柱要求设置;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)短肢剪力墙的水平及竖向分布筋,除按计算确定外,其构造最小配筋宜按表2要求。
另外,短肢剪力墙应采用双排布筋,水平筋在外,竖向筋在内,两排筋间拉结控筋梅花形布置,间距不宜大于400mmx400mm,每根竖筋均有拉筋连结;肢长大于3倍小于等于4倍墙厚的墙肢按柱要求配筋,其外套箍兼作水平筋。
4 应用SATWE软件进行短肢剪力墙结构设计
1)建模时有关要求依据构件截面的高宽比进行定义和分类,同一个构件,定义和类型不同,程序在导荷、计算等方面也有所不同。SATWE软件可以自动搜索短肢剪力墙,但不能事先判断,因此在短肢剪力墙较多时,可以暂时将结构体系设定为短肢剪力墙结构进行计算,查看计算输出的柱及短肢剪力墙的倾覆力矩,墙倾覆力矩,柱及墙倾覆力矩的百分比等其他数值,还可以输出短肢剪力墙的截面面积及所占比值,由设计者进行判断是否符合短肢剪力墙结构的条件。
2)结构布置上下部结构不完全相同、各楼层剪力墙布置不一致时,应主要考察结构底部加强区及以上一层短肢剪力墙所占的比值,而不应仅考察地上一层的情况,短肢剪力墙结构的抗侧力构件布置,宜使两个主要方向的刚度和承载力相近。如果X或Y方向中的一个界定为短肢剪力墙结构,另一个方向界定为一般剪力墙结构,应两个方向按各自分析确定效应和配筋,即分别设定结构类型计算两次,各取相应的计算结果,或从严掌握,即只要有一个方向符合短肢剪力墙结构的条件,就按短肢剪力墙结构进行整体计算和配筋。
3)框支转换短肢剪力墙设计计算对于上部塔楼是短肢剪力墙结构,下部裙房是框架一剪力墙结构的框支转换短肢剪力墙结构,应在“结构体系”设置时,按“短肢剪力墙结构”和“复杂高层结构”各计算一次,因为这类结构同时符合两类特殊结构特征,而规范对这两类结构的要求各有侧重,需要调整和加强的内容各不相同。底部加强部位的框支剪力墙结构按“复杂高层结构”的要求进行设计,上部非加强部位的短肢剪力墙结构应按“短肢剪力墙结构”的要求进行设计。
5 结束语
随着高层建筑的逐渐发展和人们对住宅使用功能要求的逐步提高,由于短肢剪力墙结构可以灵活布置,墙肢可长可短,可落地也可带转换层,房间内不会出现露梁露柱的现象,且短肢剪力墙的抗震性能也优于异形柱剪力墙结构,因此在设计中根据其受力的特点,充分掌握和了解其受力特点和破坏机理后,并选择合理的布置形式,正确掌握计算分析方法,它将在多、高层的住宅中有着广阔的发展前景。
关键词 高层建筑;短肢剪力墙;结构设计
中图分类号 TU97 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2010)082-0080-01
短肢剪力墙结构是一个结构领域的新名词,确切的应称其为较多短肢的剪力墙结构,它是近年来兴起的,由于其有利于住宅建筑布置,进一步减轻了结构自重,从而降低了基础及上部结构的造价,很得建筑发展商的青睐,应用也逐渐广泛起来。
1 短肢剪力墙
随着人们对住宅,特别是小高层及多层住宅平面与空间的要求越来越高,原来普通框架结构的露柱露梁、普通剪力墙结构对建筑空间的严格限定与分隔已不能满足人们对住宅空间的要求。于是经过不断的实践和改进,以剪力墙为基础,并吸取框架的优点,逐步发展而形成一种能较好适应小高层住宅建筑的结构体系,即所谓“短肢剪力墙一筒体”结构体系。
1)短肢剪力墙高厚比的要求:①短肢剪力墙与一般剪力墙的区分。《高层建筑混凝土结构技术规程》(以下简称《高规)中7.1.2条规定,短肢剪力的高厚比是5～8,而一般剪力墙的高厚比大于8。②短肢剪力墙与异型柱的区分。《异型柱规范》中7.1.1条规定,异型柱是截面几何形状为L形、T形和十字形,且截面各肢的高厚比不大于4的柱,这样就与《高规》中7.1.2条的规定出现不衔接的情况,即墙肢高厚比在4～5之间的构件应按异形柱设计还是按短肢剪力墙设计?《混凝土规范》中l0.5.1条规定,当构件截面的长边大于其短边的4倍时,宜按墙的要求设计。
2)短肢剪力墙的判定在实际中,由于L形、T形、十字形和Z形的短肢剪力墙的大量应用,比一字形短肢剪力墙的抗震性能强,延性及平面外稳定性较好,所以规范要求短肢剪力墙尽可能设置翼缘。PKPM(结构计算软件)规定,短肢剪力墙必须是不超过两个墙肢且每个墙肢高厚比都小于8的剪力墙,软件按此定义搜索和判断短肢剪力墙。
2 短肢剪力墙结构
任何规范中都没有将短肢剪力墙单独划分为一种结构类型,而是将其称为“短肢剪力墙较多的剪力墙结构”,即其仅是剪力墙结构的一种特殊形式,并且规定高层建筑结构不采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构,其所包含的普通剪力墙(主要指结构平面中部由剪力墙构成的简体,如楼梯间)不能太少。
短肢剪力墙结构的构造要求同一般剪力墙结构。目前我国各设计院在短肢剪力墙的结构设计中,剪力墙端部暗柱的设置有两种形式:一种是端部做暗柱,设置剪力墙水平和竖向分布筋,适于肢长较长的短肢剪力墙;另一种有点类似异形柱的配筋方法,以腹部均匀配筋,腹部钢筋面积根据电算时人为设置竖向分布筋的配筋率来计算,电算出的暗柱钢筋面积放在端部,适于肢长较短的短肢剪力墙,且配筋形式较简化,利于工程施工。
短肢剪力墙的连梁应进行正截面极限承载力计算和斜截面抗剪极限承载力计算。目前,短肢剪力墙正截面极限承载力计算多采用构建截面分析的一般方法—全过程分析方法;连梁的正截面配筋,按矩形截面构件计算,取上、下配筋的较大值,按对称配筋置于梁截面上、下部位,按斜截面抗剪计算所得的箍筋沿全跨加密设置。另外,短肢剪力墙的连梁在进行抗震设计时,其弯矩和剪力进行塑性调幅,以降低其剪力设计值;当部分连梁降低弯矩设计值后,应相应提高其余部位连梁和墙肢的弯矩设计值;为避免在使用过程中连梁中裂缝开展过早、过大,当内力计算时连梁的刚度已经折减,则应限制其调幅的范围或不再调幅。
3 短肢剪力墙延性设计
3.1 短肢剪力墙布置
短肢剪力墙的布置要合理、对称、均匀、力求质量中心与刚度中心重合,短肢剪力墙布置应以T形、L形、Z形和十字形为主,这样可增加短肢剪力墙抗扭和平面外稳定性.主要抗侧力结构简体(或长墙)一般利用楼梯、电梯,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,同时简体要有足够的刚度,其平面尺寸不宜过小,要使简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%,形成多道抗震防线,为了确保水平力可靠传递,核心区楼板适当加厚,与核心筒相连的连梁按强剪弱弯设计,每两短肢墙之间的梁净跨不宜过小,应使其具有一定的耗能作用。
3.2 短肢剪力墙的轴力设计值和剪力设计值
短肢剪力墙受力以承担竖向荷载为主,承担水平荷载为辅,短肢剪力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I、Ⅱ、Ⅲ级时分别不宜大于0.5、0.6、0.7。对于无翼缘或端柱的一字形短肢剪力墙,因其延性不佳,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。对于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,其他各层也要调整,I、Ⅱ级抗震等级轴压比应分别乘以增大系数1.4和1.2,主要目的是避免短肢剪力墙过早剪坏。
3.3 短肢剪力墙配筋
1)短肢剪力墙约束边缘构件配箍特征值宜按相同轴压比的框架柱提高一级,取轴压比小于0.3的短肢剪力墙及非加强部位的短肢剪力墙,其边缘构件的构造设置应较一般剪力墙高,宜按表1配置。
2)短肢剪力墙的截面高度一般在1200～200mm之间,其约束边缘构件长度L可统一取450mm;短肢剪力墙的边缘构件的纵向配筋除满足规范要求外,其纵向钢筋最小配筋率宜按框架柱要求设置;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)短肢剪力墙的水平及竖向分布筋,除按计算确定外,其构造最小配筋宜按表2要求。
另外,短肢剪力墙应采用双排布筋,水平筋在外,竖向筋在内,两排筋间拉结控筋梅花形布置,间距不宜大于400mmx400mm,每根竖筋均有拉筋连结;肢长大于3倍小于等于4倍墙厚的墙肢按柱要求配筋,其外套箍兼作水平筋。
4 应用SATWE软件进行短肢剪力墙结构设计
1)建模时有关要求依据构件截面的高宽比进行定义和分类,同一个构件,定义和类型不同,程序在导荷、计算等方面也有所不同。SATWE软件可以自动搜索短肢剪力墙,但不能事先判断,因此在短肢剪力墙较多时,可以暂时将结构体系设定为短肢剪力墙结构进行计算,查看计算输出的柱及短肢剪力墙的倾覆力矩,墙倾覆力矩,柱及墙倾覆力矩的百分比等其他数值,还可以输出短肢剪力墙的截面面积及所占比值,由设计者进行判断是否符合短肢剪力墙结构的条件。
2)结构布置上下部结构不完全相同、各楼层剪力墙布置不一致时,应主要考察结构底部加强区及以上一层短肢剪力墙所占的比值,而不应仅考察地上一层的情况,短肢剪力墙结构的抗侧力构件布置,宜使两个主要方向的刚度和承载力相近。如果X或Y方向中的一个界定为短肢剪力墙结构,另一个方向界定为一般剪力墙结构,应两个方向按各自分析确定效应和配筋,即分别设定结构类型计算两次,各取相应的计算结果,或从严掌握,即只要有一个方向符合短肢剪力墙结构的条件,就按短肢剪力墙结构进行整体计算和配筋。
3)框支转换短肢剪力墙设计计算对于上部塔楼是短肢剪力墙结构,下部裙房是框架一剪力墙结构的框支转换短肢剪力墙结构,应在“结构体系”设置时,按“短肢剪力墙结构”和“复杂高层结构”各计算一次,因为这类结构同时符合两类特殊结构特征,而规范对这两类结构的要求各有侧重,需要调整和加强的内容各不相同。底部加强部位的框支剪力墙结构按“复杂高层结构”的要求进行设计,上部非加强部位的短肢剪力墙结构应按“短肢剪力墙结构”的要求进行设计。
5 结束语
随着高层建筑的逐渐发展和人们对住宅使用功能要求的逐步提高,由于短肢剪力墙结构可以灵活布置,墙肢可长可短,可落地也可带转换层,房间内不会出现露梁露柱的现象,且短肢剪力墙的抗震性能也优于异形柱剪力墙结构,因此在设计中根据其受力的特点,充分掌握和了解其受力特点和破坏机理后,并选择合理的布置形式,正确掌握计算分析方法,它将在多、高层的住宅中有着广阔的发展前景。