短肢剪力墙结构的应用与研究

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  摘要:本文介绍了短肢剪力墙的基本概念和短肢剪力墙结构体系的优点及其在我国的应用情况。从计算模型和抗震性能试验研究两方面对其研究和发展现状进行综述,并提出了一些今后值得深入研究的问题。
  关键词:短肢剪力墙 ; 计算模型 ; 抗震性能;
  1 短肢剪力墙结构概述及应用
  1.1短肢剪力墙概述
  短肢剪力墙结构最早在我国南方一些地区采用,多为每层6~8户的塔式高层。这种结构利用竖向交通中心区的分隔墙设置钢筋混凝土剪力墙,组成一个基本完整的核心筒体,作为承受竖向荷载和抗侧力的主要部分;外围采用能够结合剪力墙和框架各自优点的短肢墙。容柏生院士认为:“短肢”剪力墙属于剪力墙结构体系,“短肢”的定义通常可理解为其肢长约2m左右或2m以下,其截面形式可采用T形、L形、]形、Z形、十字形等。并在各短肢墙之间布置连系梁,将这些墙连结成一个整体以构成结构体系[1]。我国现行《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)对短肢剪力墙的定义是:短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比(肢高厚比)为5~8的剪力墙。图1为两栋短肢剪力墙结构平面布置图。
  
  
  1.2短肢剪力墙结构在我国的应用情况
  短肢剪力墙结构可结合建筑平面,利用间隔墙位置布置坚向构件,基本上不与建筑功能发生矛盾;连接各墙的梁随墙肢位置而设于间隔墙竖平面内,故较隐蔽,解决了框架结构梁柱突出墙面的问题,使房间布置灵活,使用率高;采用这种结构扩大了使用面积,加之自重轻,减少了基础费用,总体经济效益较好。由于上述优点,采用这种结构体系在我国已建成大量的高层住宅,它在各方面的效果都很好,已成为高层住 宅常用结构体系。自2001年以来,短肢剪力墙结构的应用日益增加。在小高层的结构体系上运用短肢剪力墙结构,相对框架结构每平方米虽然增加成本,但为住户营造了更大的空间以及更为灵活的分割方式,大大提高了房屋的品质。在京、沪、穗、深等地这种结构备受用户和开发商青睐。在北京地区,多层住宅北京“龙泽苑”小区和北京奥林匹克花园就采用了短肢剪力墙结构;上海碧林湾、天江格调空间、英麒苑、大华阳城花园、上海金桥爱建园也采用了短肢剪力墙结构;广州光大花园榕景四季小区在户型设计上采用了短肢剪力墙设计,实现了隐梁隐柱,在内部房间间隔上基本保证每一个房间的方正实用;深圳的翡翠园•山湖居大板采用短肢剪力墙结构,其自由间隔的灵动性,能够为居家创意提供发挥的空间;重庆回龙湾是重庆目前唯一的国家康居示范工程,也采用大开间现浇短肢剪力墙结构。
  2 短肢剪力墙结构的研究现状
  2.1短肢剪力墙结构计算模型研究
  短肢剪力墙结构的构件形式较多,且其布置一般不太规整。故作整体分析时宜采用三维的分析方法。其中竖向构件可采用开口薄壁杆模型,如用墙元模型则更为合理。对于具有结构转换层的情况,应用平面有限元方法对其自身作较详细的局部分析[1]。
  目前在工程设计中对短肢剪力墙进行分析的软件,其分析模型与进行普通剪力墙分析所采用的模型相同,多采用薄壁柱杆元或墙元模型。短肢剪力墙结构肢长较短,较高细,接近于杆件性能,故以薄壁柱杆元模型为力学模型计算短肢剪力墙结构能反映结构的受力[2]。由于薄壁柱杆元模型忽略了剪力墙剪切变形的影响,张晋、朱江等通过对某工程实例建立7种不同力学模型进行分析,对照相应的振动台试验结果,指出与采用薄壁柱杆元相比,采用墙元来模拟剪力墙可以更合理地计算高层大开间短肢剪力墙—筒体结构[3]。
  在对短肢剪力墙的力学性能进行理论分析研究中多采用有限元方法进行数值模拟分析。黄东升,程文瀼等基于等代框架法的有限元模型,应用带刚域的弹塑性杆单元来模拟短肢剪力墙的连梁,并考虑剪切变形影响,对肢强系数、整体性系数、翼缘宽度和连梁配筋率等参数不同的短肢剪力墙进行了弹塑性分析[4]。孙兆英等在分析中采用两节点的哈密顿梁单元来模拟短肢剪力墙结构,通过与低周往复荷载作用下的试验值比较,表明其所采用的理论分析模型和计算工具符合情况较为理想[5]。宫广娟、刘立新等采用整体式有限元模型以弹塑性应变硬化本构关系模型为基础,将钢筋和混凝上的本构关系组合在一起,数值分析结果在总体位移、应变分布等方面与实测结果基本吻合[6]。徐杰年采用空间八结点块体单元的整体式有限元模型建立了短肢剪力墙空间分析有限元模型,对单层T形短肢剪力墙结构的破坏过程和破坏模式进行了研究。在拟静力仿真试验中分别讨论了墙肢截面高厚比、混凝土强度等级、楼层层数、连梁跨高比和轴压比对单层T形短肢剪力墙结构开裂荷载和极限荷载、极限荷载时顶点位移、承载力及极限荷载时的截面正应力变化规律的影响[7]。
  2.2 短肢剪力墙结构抗震性能研究
  许多研究者对短肢剪力墙试件和由短肢剪力墙及中部核心筒组成的剪力墙—筒体结构的抗震性能进行了研究。通过对反复荷载下短肢剪力墙的承载力、耗能能力、破坏形式等方面的研究,认为其薄弱环节改善后,可以用于震区的高层住宅建设。刘伟等通过对6片双肢短肢剪力墙结构试件的低周反复荷载试验,分析了内力的变化规律,并对不同肢厚比大小的短肢墙结构进行了定量评价。认为其能够满足“强柱弱梁”的抗震要求,试件屈服时连梁达到了屈服,墙肢截面承载能力并未完全发挥,是一种可靠的结构形式[8]。戴绍斌等通过单层短肢墙试件的低周反复荷载试验,研究了有翼墙和无翼墙短肢墙试件在低周反复荷载作用下的整体工作性能、破坏形态及滞回特性。试验表明:连梁是短肢剪力墙结构的薄弱环节,试件的最终破坏是由连梁失效所引起;有翼墙的短肢剪力墙试件其延性系数达到了3.5以上,其耗能能力较无翼墙短肢墙好[9]。张晋等采用四种地震波形,对一栋30层短肢剪力墙—筒体结构高楼模型进行了模拟多种烈度地震振动台试验。试验结果表明,该体系不仅使用性能好,而且具有良好的抗震性能,是一种值得在7度地震区、20~30层高层住宅建筑中推广采用的结构体系[10]。周颖,吕西林等对底部大空间、立面大洞口的短肢剪力墙—筒体结构的某高层结构整体模型,进行了模拟地震振动台试验和三维有限元分析,结果表明在地震作用下该结构底部墙肢中仅少数构件出现反弯点甚至不出现反弯点;结构顶部突出筒体处的鞭梢效应明显;并指出在工程设计中宜改善端部筒体以及转换大梁与筒体连接处的强度和延性[11]。吕西林等以一栋超高层住宅大厦为结构原型,采用模拟地震振动台试验方法,对复杂体型超高层剪力墙(短肢剪力墙)—筒体结构的动力特性、地震反应规律和开裂破坏形式等问题进行了研究。结果表明:短肢剪力墙的开裂破坏主要有墙中上部水平开裂、底部水平开裂以及局部压碎三种形式。建议适当加强结构薄弱部位的整体性和抗侧抗扭刚度,确保复杂体型超高层剪力墙(短肢剪力墙)—筒体结构满足抗震设防要求[12]。
  2.3 带暗支撑短肢剪力墙抗震性能研究
  短肢剪力墙结构的墙肢相对较短,抗震能力较低。模拟地震振动台试验研究表明短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节是建筑外边缘及角点处的墙肢,部分底层墙肢出现了先于连梁的剪切破坏,鉴于此有研究者提出用带暗支撑短肢剪力墙来提高其抗震性能。曹万林等通过6个1: 2缩尺的T形截面带暗支撑短肢剪力墙模型的低周反复荷载试验研究,分析比较了带暗支撑T形截面短肢剪力墙和普通T形截面短肢剪力墙的承载力、刚度及其衰减过程、延性、耗能、滞回特性。试验表明:加设钢筋混凝土暗支撑可显著提高T形截面短肢剪力墙的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载;其弹塑性位移、延性、耗能比普通T形截面短肢剪力墙均有明显提高[13]。黄选明等选取短肢剪力墙结构体系中較为薄弱的抗震构件“一”形短肢剪力墙,采用不同的暗支撑型式进行带暗支撑短肢剪力墙的低周反复荷载试验,分析其承载力、刚度、延性、滞回特性、耗能力及破坏机制并在试验基础上建立其承载力计算模型与方法[14]。曹万林等在上述研究的基础上进一步提出带暗支撑异形截面短肢剪力墙和核心筒结构体系。进行了带暗支撑不同异形截面短肢剪力墙及核心筒的抗震性能试验研究,分析其承载力、刚度、延性、滞回特性、耗能能力及破坏特征,并对其抗震机理进行研究。试验研究表明,由于暗支撑的存在,可显著地改善异形截面短肢剪力墙及核心筒的抗震性能[15]。图2、3分别为文献[15]给出的一字形无暗支撑和带暗支撑短肢墙试件滞回曲线。从图中可看出,带暗支撑试件的耗能能力远优于无暗支撑试件。
  
  
  3 存在的主要问题和今后的研究方向
  短肢剪力墙结构的理论分析和试验研究还比较少,设计理论还不成熟,缺乏足够的科学依据来指导设计工作,在实际设计当中还存在不少问题。短肢剪力墙结构体系这种新型的抗侧力体系,虽已在我国多、高层建筑中广泛应用,但在实际应用中其设计还主要是参考异形柱的有关规定。由于短肢剪力墙墙肢截面高度与其厚度之比在5~8之间,其受力性能与柱差别较大而更接近于剪力墙。因此,若将有关异形柱的试验研究成果不加分析地照搬于短肢剪力墙,显然是不合理的。我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)仅在短肢剪力墙的布置、抗震等级以及轴压比等方面采取了比普通的剪力墙更严格的限制,对短肢剪力墙的计算模型、适用高度、构造措施等并未作出明确的说明。这种理论落后于应用实践的现实,严重的影响短肢剪力墙结构的发展。因此对这种结构进行深入地理论分析和系统地试验研究很有必要。
  (1) 在计算理论方面的深入研究。对短肢剪力墙进行理论分析所采用的计算模型已发展到薄壁柱杆元模型和空间壳元模型。薄壁柱杆元模型没有考虑剪力墙剪切变形的影响,用扭转角导致协调翘曲变形的做法有时很难满足上、下楼层的实际变形协调条件,以至有时出现难以预料的计算结果;空间壳元模型的缺点是未知量数目太多,数据处理和程序研制复杂,并且计算效率较低。而目前提出的一些短肢剪力墙力学分析计算模型,能够合理而简便地反映短肢剪力墙结构实际工作性能的不多。因此,通过理论分析和试验研究确定能够反映其性能的计算模型仍需研究。
  (2) 各种因素对高层短肢剪力墙结构承载力影响的研究。短肢剪力墙的墙肢较短,在荷载作用下其墙肢的高厚比、轴压比、连梁的刚度等对承载能力和变形能力有如何影响需进一步研究。
  (3)短肢剪力墙的力学性能以及在水平荷载作用下弹塑性过程和破坏形态尚缺少研究。通过对短肢剪力墙高层结构体系进行试验,揭示其从弹性应力状态到混凝土开裂,直至发生破坏的全过程,并对整个结构体系的最终破坏模式进行深入研究成为必要。
  (4)复杂体型的超高层短肢剪力墙结构抗震性能的深入研究。在地震作用下,墙体的承载力、刚度、延性、滞回特性、耗能能力及破坏机制尚需进行深入研究。对于短肢剪力墙和中部筒体组成的复杂体型超高层短肢剪力墙—筒体结构,由于结构体型复杂,在地震动的作用下可能產生十分显著的扭转振动反应。在扭转振动作用下,结构中的短肢剪力墙的破坏形式也需进一步研究。
  (5)如何改善短肢剪力墙结构抗震薄弱环节处墙肢抗震性能的研究。短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节是建筑外边缘及角点处的墙肢,采用何种措施对建筑外边缘及角点处的墙肢的抗震性能进行改善有待于进行试验研究和理论分析。
  (6)转换层上短肢剪力墙的受力特点、破坏模式及抗震性能的研究。由于建筑使用功能的需要,出现了许多竖向特别不规则的复杂体型高层建筑。为了实现沿房屋高度使用功能的变化,须设置结构转换层(梁),探讨这些部位上短肢剪力墙的受力特点、破坏模式及抗震性能以及采用怎样的加强措施来改善这些部位的抗震能力仍需进行研究。
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