钢筋混凝土短肢剪力墙结构设计研究

钢筋混凝土短肢剪力墙结构设计研究

摘要:本文基于笔者多年从事建筑结构设计的相关工作经验,以钢筋混凝土短肢剪力墙结构设计为研究对象,分析了钢混短肢剪力墙的结构体系布置原则,在此基础上,深度探讨了钢混短肢剪力墙的计算方法与软件工具,相信对从事建筑结构设计的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词:钢混短肢剪力墙结构设计软件构造

随着人民生活水平的日益提高,对住宅的要求也越来越高,要求房间布置灵活,不规则时,应该在平面外各角点及边缘处布置钢混短肢剪力墙来满足结构平面刚度的要求和加强结构的整体性。钢混短肢剪力墙结构是一个结构领域的名词,确切的应称其为较多短肢的剪力墙结构,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,很得建筑商的青睐,应用也逐渐广泛起来。

1 钢混短肢剪力墙结构的定义及优点

钢混短肢剪力墙是指墙的肢长与墙的厚度比为5/8的一种剪力墙结构,其有以下特点。

1.1 满足建筑功能的需要

墙肢与填充墙等厚,连接各墙的梁位于隔墙竖向平面内,避免框架结构中梁柱突出墙面的问题。墙体采用轻质材料,符合墙体改革的方

向。虽然短肢墙构件增加了施工难度,但扩大了使用面积。

1.2 满足结构设计的需要

与常用的框架－抗震墙体系相比,框架－抗震墙体系具有受力明确、计算简单等优点,但其柱子截面大、梁柱外露,影响美观和使用,在平面复杂多变的情况下结构布置体系难趋合理,结构分析计算困难。而钢混短肢剪力墙体系,墙肢和梁可隐蔽,结构布置灵活,墙的数量和肢长根据抗侧力的需要而定,数量可多可少,肢长可长可短,还可通过不同的尺寸和布置以调整刚度和刚度中心的位置。

2 钢混短肢剪力墙结构体系的布置原则

2.1 平面布置

钢混短肢剪力墙一般用在10层～25层之间,按“高规”分类属A级高度高层建筑。平面布置应遵守的一般要求:宜使结构平面形状简单、规则,刚度和承载力均匀；宜选用风荷载作用较小的平面形状；平面长度不应过长,突出部分不应过大；不宜采用角部重叠的平面图形或细腰形平面图形。

但是,钢混短肢剪力墙亦有以下几个特点:在结构布置时不应采用全部墙肢均为短肢墙的结构方案,必须布置筒体,形成钢混短肢剪力墙与筒体共同抵抗水平力的剪力墙结构。全部由钢混短肢剪力墙构成的结构体系在地震作用下,其内力－变形曲线非常接近纯框架结构。而

钢混短肢剪力墙－筒体结构在地震作用下,其内力－变形曲线和框架－剪力墙结构很类似,这是因为大多数由若干钢混短肢剪力墙－弱连梁构成的墙片受力性能非常接近壁式框架。

2.2 竖向布置

钢混短肢剪力墙－筒体结构的竖向布置也应符合A级高度高层建筑的一般要求:高层建筑的竖向体形宜规则、均匀,避免有过大的外挑和内收。结构的侧向刚度宜下大上小,逐渐均匀变化,不应采用竖向严重不规则的结构。抗震设计的高层建筑结构,其楼层侧向刚度平均值不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70％,或其上相邻三层侧向刚度平均值的80％。楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的80％。抗震设计时,结构的竖向抗侧力件宜上下连续贯通。剪力墙沿竖向宜连续分布,上到顶下到底,中间楼层不宜中断。墙厚度沿竖向应逐渐减薄,在改变截面厚度时不宜变化太大。厚度改变与混凝土强度等级的改变宜错开楼层,避免结构刚度突变。

3 钢混短肢剪力墙结构的计算分析

3.1 设计软件

钢混短肢剪力墙结构的内力和位移计算,目前应用最多的有两类:(1)以薄壁杆理论为基础的软件如TAT,TBSA；(2)以墙元理论为基

础的软件,如:SATWE,SSW,TUS2000等。在设计时,应根据具体情况选择合适的软件进行计算,必要时,还应进行多软件的分析比较。在TAT,TBSA中,只需将剪力墙输人即可,而且适合用来计算钢混短肢剪力墙结构。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,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,运算速度较墙元模型的软件快很多。

判断方法有两种:(1)利用软件输出的基本振型下的底层内力,复核筒体和一般剪力墙的地震倾覆弯矩是否不小于50％结构总底部地震倾覆力矩；（2)计算结构的刚度,判断结构的底层侧移刚度中筒体和一般剪力墙在结构总侧移刚度中所占的比例。

3.2 钢混短肢剪力墙结构体系计算结果分析、判断和调整

采用软件对钢混短肢剪力墙结构体系计算后,应对计算结构进行如下分析、判断和调整。地震作用采用振型分解反应谱法分析,目前,住宅建筑设计的平面和立面往往不规则,宜考虑扭转藕联影响,应根据振型有效质量系数是否大于90％来确定振型数。

计算地震作用时,其第一周期对钢混短肢剪力墙结构一般应控制在T1＝0.04-0.08N(N为结构计算层数)。

剪重比是反映结构承受地震作用大小的指标之一,地震力计算不能偏大,但也不能太小。由于钢混短肢剪力墙本身抵抗地震的能力较差,如果钢混短肢剪力墙分配的地震力太大,则很有可能不满足要求。

轴压比是体现墙肢抵抗重力荷载代表值作用下的能力。抗震设计时,各层钢混短肢剪力墙轴压抗震等级为一级,二级,三级时分别不宜大于0.5,0.6和0.7；对于无翼缘或端柱的一字形钢混短肢剪力墙,其轴压比限值相应降低0.1。

3.3 关于构造措施

钢混短肢剪力墙结构中的短肢墙受力以承担竖向荷载为主,承担水平荷载为辅。因此,当钢混短肢剪力墙较多时,潜在的危险有两方面。

(1)在剪力墙筒体出现问题以后,很弱的钢混短肢剪力墙没有足够的延性和承载力,可能随之而破坏。

(2)钢混短肢剪力墙本身在弹塑性阶段抵抗竖向荷载的能力,如果钢混短肢剪力墙失效,虽然结构仍然可以依靠其他剪力墙或井筒抵抗地震作用,但是承受竖向荷载的梁板将受到严重威胁,有时会发生“连续倒塌”。因此,对钢混短肢剪力墙结构较多的剪力墙结构在进行结构分析和截面设计时,应采取比一般剪力墙结构更严的措施。

应使钢混短肢剪力墙具有足够的延性,抗震设计时,钢混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。为避免钢混短肢