对短肢剪力墙结构设计的探讨

　　摘要：随着经济发展和生活水平的提高，人们对住宅，特别是高层住宅平面与空间的要求也越来越高。本文对短肢剪力墙结构的优点、设计的一般规定、受力性能特点、理想破坏模式、抗震薄弱环节及概念设计等问题作了详细的探讨。
　　关键词：短肢剪力墙；结构设计；受力特点；概念设计
　　
　　
　　
　　1短肢剪力墙结构的优点
　　对于高层住宅，采用框架结构时，因柱的局部突出而影响结构的平面布局和美观效果。采用一般剪力墙结构，很难满足底部有停车场等公共设施的建筑需求。同时，对于小高层住宅来说，采用小高层往往使结构刚度加大，有效质量也随之加大，从而使得地震作用较大。短肢剪力墙结构克服了上述缺陷，依据自身的平面灵活性来调整结构结构的理想刚度，形成了一种短肢剪力墙为主的“短肢”剪力墙结构体系。短肢剪力墙是指截面高度与厚度之比为5~8的剪力墙，常用的有“L”、“T”“十”字型及少量的“一”字型。这种结构较一般剪力墙有如下优点：
　　（1）墙肢较短，具有较强的灵活性和可调整性，容易满足建筑空间和平面布局的要求
　　（2）墙的数量可多可少，墙肢可长可短，主要视抗侧力需要而定，还可通过不同的尺寸和布置来调整刚度中心的位置；
　　（3）造价相对普通剪力墙结构低，满足建筑节能的要求；
　　（4）可开较大的洞口，建筑可获得较好的采光和通风效果；轻质砌体代替减少了的剪力墙，减小结构整体刚
　　度，减轻结构自重，降低地震作用
　　（5）墙肢高宽比较大，故水平荷载作用下墙体的破坏一般外弯曲破坏，属延性破坏；
　　（6）连梁跨高比较大，以弯曲破坏为主，地震作用下首先在弱连梁两端出现塑性铰，耗能性能较好；
　　（7）合理的短肢剪力墙设计可使墙的承载力得到充分的发挥，灵活的调整性很容易使得结构的质心与重心接近或重合。
　　
　　2短肢剪力墙结构设计的一般规定
　　2.1结构布置
　　短肢剪力墙结构的一般布置原则：短肢墙的数量应当适中，满足竖向荷载和抗侧力需要即可；短肢墙应尽量均匀分布，其轴向应力不应相差悬殊，当有抗震要求或风力较大或平面凹凸较多时，在平面外边缘及角点处，特别是外凸部分，布置必要的短肢墙以加强其整体性和满足平面刚性的要求；各短肢墙应尽量对齐、拉直，使之与连梁一起构成较规整且连续跨数较多的抗侧力片，当不能完全做到时也允许局部互相错开，每道短肢墙与两个方向的梁连结，连梁尽可能布置在墙肢的竖平面内，连梁宽度一般宜与墙肢厚度相等；墙肢不宜过厚，尽量不凸出或少凸出间隔墙表面，但亦不应太薄以导致稳定性差和施工困难，以采用200mm、250mm或300mm为宜；可以混合布置部分较长的墙或医形柱；
　　2.2适用高度
　　7度抗震设计最大高度为100m，8度为60m，B级高度高层建筑和9度抗震设计的A级高度的高层建筑，即
　　使设置筒体，也不应采用短肢剪力墙体系。
　　2.3轴压比限值
　　根据国内外目前所做的试验结果，当剪力墙所承受的轴压力较大时，延性较差，原因在于此时剪力墙处在压弯状态下，受压区较高，呈小偏心状态，所以要限制轴压比。考虑改善延性，短肢剪力墙在重力荷载代表值作用下的轴压比，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墙，由于延性较差，轴压比限值相应降低0.1.
　　2.4肢厚比限值
　　肢厚比小的结构墙肢强度储备不大，肢厚比大的结构墙肢强度储备充足安全性好，但其材料特性不能充分发挥，经济性差，从结构的综合性能看，肢厚比为6.0～7.0的短肢剪力墙结构性能较好，同时具有一定的能量储备，材料性能发挥较为充分。
　　2.5连梁跨高比限值
　　随着连梁跨高比的减小，短肢剪力墙的开裂荷载屈服、荷载、极限荷载逐渐增大，但当连梁跨高比减小到一
　　定程度，增大幅度逐渐减小，连梁跨高比为1.5左右的短肢剪力墙试体的综合性能较好。
　　2.6抗震等级划分
　　建筑高度越高，地震反应越大，抗震要求越高。抗震等级是考虑到地震作用（设防烈度、场地类别）、结构类型和房屋高度确定的，由于短肢剪墙的抗震性能较差，地震区应用经验不多，新高规第七章规定其抗震等级应
　　比国际规定的剪力墙的抗震等级提高一级采用。
　　
　　3短肢剪力墙的受力性能特点和理想破坏模式
　　3.1短肢剪力墙的受力特点
　　（1）短肢剪力墙主要受力特点是以整体弯曲为主，大多数楼层的墙肢没有反弯点。整体水平位移曲线与竖向
　　悬臂柱相似，以弯曲型为主
　　（2）短肢剪力墙结构体系中连梁是一个耗能构件，在振动台试验中出现了两种破坏形态：弯曲破坏和剪切破
　　坏。
　　（3）构件的延性随肢高后比的增加迅速降低，构件的承载力并未随墙肢刚度的增加而增加。连梁和墙肢的刚
　　度比影响短肢墙的受性能，取0.03～0.05范围内较好。
　　（4）短肢剪力墙结构的抗震薄弱部位是建筑平面外边缘及角部处的墙肢首先开裂，因此应加强抗震构造措施。
　　（5）一字型墙肢的破坏最为严重，短肢剪力墙应尽量设翼缘。
　　（6）短肢剪力墙是一种强肢弱梁型的联肢剪力墙，在大部分情况下连梁首先开裂，然后墙肢开裂。
　　2.2 理想破坏模式
　　根据短肢剪力墙结构实验研究资料，实验模型结构按现行规范设计(混合铰机制)，而实验得出的结果却是梁铰机制。因结构中短肢墙和连梁之间存在着明显的刚度级差，因此认为用梁铰机制作为结构的抗震设防对策是合理的。
　　（1）如果能保证梁先屈服产生塑性铰的前提下，短肢墙呈现反弯点不断上升，剪跨比迅速增大，墙肢最终破坏，因此只要解决墙根延性问题就可以达到竖向构件延性破坏的目的。
　　（2）以梁作为主要耗能构件，用梁构件可接受的损伤来达到保护竖向构件的目的，这对结构延性和震后修复均有利。
　　（3）梁铰机构的墙根塑性铰导致的短肢墙转角远小于柱塑性铰机构的塑性铰导致的短肢墙转角，混合铰机制的塑性铰转角介于两者之间，这有利于墙延性构造处理。
　　（4）除底层外，理论上消除了结构薄弱层。可见，为了提高整体结构的延性，使结构破坏呈现整体破坏机制，要利用正确的概念设计，必须保证梁的屈服先于竖向构件的屈服，让水平构件能充分耗散地震能量，从出铰顺序看应先中下部梁端塑性铰，逐渐向顶部发展，最后墙根部出现塑性铰。因此加强墙根部的强度，推迟墙根部塑性铰的产生及控制墙梁刚度比控制连梁高跨比，达到梁弯曲破坏的目的是短肢墙设计的重点。
　　
　　3短肢剪力墙的配筋计算
　　按照我国《高层建筑混凝土结构技术规程（JG13-2002），当墙厚小于或等于250mm时，墙肢端部的暗柱面积Ac=1.5－2.0bw这是合适的。但是随着建筑物的层数越来越高，各墙肢的厚度也必将越来越厚，如果还是按上式计算，势必造成很大浪费，与此同时还会出现暗柱主筋间距过大（＞250mm）。因此在实际设计中，可以根据不同墙厚取值，当bw＜250mm时，Ac=1.5－2.0bw，当bw＞250mm时，取Ac=1.0－1.5bw。
　　在运用程序计算短肢剪力墙时，其计算模型、构造要求和配筋方式均和普通剪力墙结构相同。在TAT.TBSA中就按照剪力墙结构输入即可，并且TAT.TBSA的计算模型都是薄壁杆件模型和杆件。其中梁、柱均为普通空间杆件，每个端部有6个自由度，墙为薄壁杆件，比梁、柱多一个自由度，即多一个截面曲角。考虑了墙元非平面变形的影响，根据矩阵位移法由单元刚度矩阵形成总刚度矩阵，假设楼板平面内刚度无限大，减掉部分未知量之后求解，它广泛应用于各种平面布置，未知量少、精度高。但是，薄壁杆件模型在分析、结构布置复杂(含有转换层)，并且比较低宽的剪力墙时，也存在一些不足，关键是薄壁杆件理论没考虑剪切变形对结构的影响，当结构布置复杂时，变形将不协调。由于短肢剪力墙肢长与墙厚之比为5～8，本身就比较高细，更接近于杆件性能，因此，用TAT.TBSA计算短肢剪力墙结构能较好地反映结构的真实受力特征。
　　
　　4短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节及概念设计
　　短肢剪力墙结构是介于框架-剪力墙结构和一般剪力墙结构之间的一种结构形式，其抗震薄弱环节是建筑平面外边缘及角点处的墙肢、“一字形”短肢剪力墙及连梁。当有扭转效应时，建筑平面外边缘及角点处的墙肢会首先开裂;在地震作用下，高层短肢剪力墙结构将以整体弯曲变形为主，短肢剪力墙因截面面积小且承受较大的竖向荷载，破坏严重，尤其“一字形”小墙肢破坏最严重；在短肢剪力墙结构中，由于墙肢刚度相对减小，连接短肢剪力墙间的连梁已类似普通框架梁，其受剪破坏的可能性增加。因此，在短肢剪力墙结构设计中对这些薄弱环节，应加强概念设计和抗震构造措施。
　　例如，短肢剪力墙在平面上分布要力求均匀，必要时可用一般剪力墙来调整刚度中心，使刚度中心尽量接近建筑物质心，以减小扭转效应；由于短肢剪力墙的抗侧移刚度相对较小，故设计时应尽量利用电梯、楼梯问来形成一个核心筒，确保结构有足够的刚度，共同抵抗水平力；核心简作为主要抗侧力构件时，设计中应保证核心筒与其外围结构的连接区域可靠；短肢剪力墙的最小截面厚度要满足规范要求的200mm，适当增加建筑平面外边缘及角点处的墙肢厚度及长度，严格控制短肢剪力墙截面的轴压比不超过规范要求，并加强短肢剪力墙(尤其是底部)的配筋，以提高墙肢的抗扭刚度、承载力和延性；短肢剪力墙截面小，壁薄，平面外稳定性差，故宜在两个方向均有梁与之拉结，连梁宜布置在各肢的平面内，避免采用“一字形”墙肢，否则应采取加大配筋、减小轴压比、设置端柱等加强措施；高层结构中连梁是一个耗能构件，连梁的剪切破坏会使结构的延性降低，对抗震不利，故连梁设计中应按“强剪弱弯”的原则进行，如对跨高比≥5的连梁应按框架梁进行设计，以保证连梁的受弯屈服先于剪切破坏。
　　
　　
　　5结束语
　　短肢剪力墙结构并没有被划分为一种单独的结构类型，而是剪力墙结构一种特殊结构形式的分支。由于该结构体系墙肢布置的灵活性和可调整性，使得其各项经济指标都较一般剪力墙结构理想。在进行短肢剪力墙结构设计时，应根据整体结构的受力变形特征，运用结构概念设计的原则，采取恰当的抗震措施，保证结构的整体抗震性能，使整个结构具有必要的承载能力、刚度和延性。同时，应注重结合工程实际和经验对软件计算结果的判别，从而采取必要的措施。