談小高層住宅的剪力墻設(shè)計(jì)與概念設(shè)計(jì)

 

    隨著商品住宅建筑在我國城市建設(shè)中的發(fā)展，10層左右的小高層住宅建筑大量采用剪力墻結(jié)構(gòu)。相對于框架結(jié)構(gòu)來說，剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大，變形小，破壞程度低，容易滿足小震作用下結(jié)構(gòu)的位移限值；大震時(shí)通過連梁和墻肢底部的塑性鉸范圍內(nèi)的塑性變形，耗散地震能量，在設(shè)防較高的地區(qū)（8度及區(qū)以上地區(qū)）優(yōu)點(diǎn)更為突出。另外剪力墻結(jié)構(gòu)室內(nèi)無柱及梁的棱角露出，更為美觀，使用功能也更好，且增大了使用面積，故受到開發(fā)商和業(yè)主的廣泛歡迎。

 

1、剪力墻設(shè)計(jì)中的剪力墻布置

    在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了做到安全和經(jīng)濟(jì)，剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度不宜過大，剪力墻平面布置要力求均勻，使其剛度中心和建筑物質(zhì)心盡量接近，以減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，必要時(shí)通過改變墻肢長度和連梁高度調(diào)整剛心位置。住宅建筑中往往會(huì)有很多短肢剪力墻，應(yīng)結(jié)合建筑平面，采用L，T，Z，十字形等截面形式，且翼緣長度大于其厚度的3倍。一字型剪力墻抗震性能較差，應(yīng)盡量避免。剪力墻墻肢截面高厚比宜大于5，墻肢之間的梁凈跨宜小于6.0 m，否則梁高會(huì)太大，影響室內(nèi)凈高。 

     

    應(yīng)特別注意的是，設(shè)轉(zhuǎn)角窗(陽臺(tái))會(huì)降低結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和抗扭剛度，且外墻內(nèi)力顯著增大，開洞的角部各構(gòu)件扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，因此應(yīng)盡量避免。必須設(shè)置時(shí)，宜作如下處理:

    (1)轉(zhuǎn)角處沿窗線設(shè)置挑梁并相交。

    (2)窗邊兩道墻體應(yīng)避免采用單片剪力墻和短肢剪力墻，適當(dāng)加大墻肢配筋，并控制軸壓比。

    (3)靠窗邊的墻端暗柱配筋加強(qiáng)，尤其是箍筋加強(qiáng)，必要時(shí)暗柱可按約束邊緣構(gòu)件配筋，或在建筑允許的情況下，靠窗邊的墻端設(shè)端柱。

    (4)將該房間的樓板加厚，雙層雙向配筋加強(qiáng)。

    (5)板內(nèi)設(shè)斜向暗梁(或斜向拉結(jié)筋)，以連接窗邊兩墻體，或在建筑允許的情況下，直接設(shè)斜向連梁。

    (6)轉(zhuǎn)角窗窗下填充墻設(shè)置構(gòu)造柱。

 

2、剪力墻墻肢截面厚度和配筋

    高規(guī)(JGJ 3-2002)第7.2.2條第1～3款規(guī)定了剪力墻的最小厚度，其主要目的是保證剪力墻出平面的剛度和穩(wěn)定性能。

 

    對短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，高規(guī)(JGJ 3-2002)規(guī)定其抗震等級應(yīng)比表4.8.2規(guī)定的抗震等級提高一級采用，故除6度區(qū)外，短肢剪力墻的抗震等級至少為二級。對于住宅建筑，填充墻厚一般為200 mm，相應(yīng)剪力墻厚也取為200 mm。住宅層高一般為2.8～3.0 m，故二層樓面以上墻厚亦取200 mm，除底部加強(qiáng)區(qū)的一字形短肢剪力墻外，均能滿足規(guī)范要求。

 

    對于小高層住宅來說，剪力墻是量大面廣的構(gòu)件形式，因此合理的控制剪力墻的配筋對于結(jié)構(gòu)安全及工程的經(jīng)濟(jì)性具有十分重要的作用。如若剪力墻布置規(guī)則合理，墻體配筋多以構(gòu)造控制，在滿足結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的前提下適當(dāng)減小墻厚，可以減少用鋼量。一般情況下加強(qiáng)區(qū)Φ10@200，非加強(qiáng)區(qū)Φ8@200雙層雙向即可，雙排鋼筋之間采用Φ6@600x600拉筋。但地下部分墻體則另當(dāng)別論。因?yàn)榈叵虏糠謮�體配筋大多由水壓力、土壓力產(chǎn)生的側(cè)壓力控制，而由于簡化計(jì)算經(jīng)常由豎向筋控制，此種情況下為增大計(jì)算墻體有效高度，可將地下部分墻體的水平筋放在內(nèi)側(cè)，豎向筋放在外側(cè)。雖然這樣設(shè)置施工不很便利，但對節(jié)省墻體配筋效果相當(dāng)明顯。當(dāng)然，如果地下室的外墻開間很小，也可將地下室外墻簡化成雙向板設(shè)計(jì)。但是，當(dāng)開間橫墻較短時(shí)，在橫墻設(shè)計(jì)時(shí)要考慮此種情況外墻給它的附加作用。

 

3、邊緣構(gòu)件的設(shè)計(jì)

    抗震規(guī)范(GB 50011-2001)（2008年版）及高規(guī)(J GJ 3-2002)規(guī)定：一、二級抗震設(shè)計(jì)的剪力墻底部加強(qiáng)部位及其上一層的墻肢端部應(yīng)設(shè)置約束邊緣構(gòu)件；一、二級抗震設(shè)計(jì)剪力墻的其他部位以及三、四級抗震設(shè)計(jì)和非抗震設(shè)計(jì)的剪力墻墻肢端部均應(yīng)設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件。其目的是顯著提高墻體的延性，并且為防止剪力墻發(fā)生水平剪切滑動(dòng)提高抗剪能力。在此筆者建議設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循抗震規(guī)范(GB 50011-2001)（2008年版）第6.4.6條“墻肢底截面在重力荷載代表值作用下的軸壓比小于本規(guī)范表6.4.6的規(guī)定值時(shí)設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件”，小高層住宅一般都能滿足，這樣以來便可以大大降低工程投資，不僅為建設(shè)方節(jié)省了成本，也為設(shè)計(jì)單位贏得了好評。

 

4、連梁的配筋

    高層結(jié)構(gòu)中，連梁是一個(gè)耗能構(gòu)件，連梁的剪切破壞會(huì)使結(jié)構(gòu)的延性降低，對抗震不利，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意對連梁進(jìn)行“強(qiáng)剪弱彎”的驗(yàn)算，保證連梁的彎曲破壞先于剪切破壞。因此，不能人為加大連梁的縱筋，否則，可能無法滿足“強(qiáng)剪弱彎”的要求。

 

    應(yīng)注意的是，認(rèn)為加大箍筋就能保證“強(qiáng)剪弱彎”是不正確的，當(dāng)連梁不滿足截面控制條件時(shí)，盲目增加配箍的結(jié)果會(huì)導(dǎo)致箍筋充分發(fā)揮作用之前，連梁就已發(fā)生剪切破壞。

另外，筆者建議連梁高度在計(jì)算建模時(shí)宜取洞口頂至摟層或屋面高度即可（指窗洞處，門洞處根據(jù)具體層高而定）。因?yàn)檫B梁跨度一般很小，而剛度太大，若高度過大，在地震作用下勢必吸收更多的能量，致使連梁彎矩和剪力都很大，配筋不合理甚至超筋。

 

5、計(jì)算結(jié)果分析、判斷和調(diào)整

    一般使用中國建筑科學(xué)研究院PKPM工程部編制的軟件SATWE進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，并通過以下指標(biāo)的控制對計(jì)算結(jié)果的合理性進(jìn)行分析、判斷，確認(rèn)其可靠性。

   

    ①振型數(shù)和地震力。振型個(gè)數(shù)一般可以取振型參與質(zhì)量達(dá)到總質(zhì)量的90%所需的振型數(shù)。 振型數(shù)應(yīng)至少取3，由于程序按三個(gè)振型一頁輸出，所以計(jì)算時(shí)振型數(shù)最好為3的倍數(shù)。當(dāng)考慮扭轉(zhuǎn)耦連計(jì)算時(shí)，振型數(shù)應(yīng)不少于9。振型數(shù)的多少與結(jié)構(gòu)層數(shù)及結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。底部總剪力也在合理范圍內(nèi)，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011-2001（2008年版）第5.2.5條，對于扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯或基本周期小于3.5秒的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)任一樓層最小地震剪力系數(shù)值為：7度為0.016；7.5度為0.024；8度為0.032；8.5度為0.048；9度為0.064。

 

    ②周期比。周期比是限制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，目的是使結(jié)構(gòu)不至于出現(xiàn)過大的扭轉(zhuǎn)，按照高規(guī)(J GJ 3-2002)第4.3.5條規(guī)定，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期之比，A級高度高層建筑不應(yīng)大于0.9，B級高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及復(fù)雜高層建筑不應(yīng)大于0.85。周期比不滿足要求時(shí)，需要增加結(jié)構(gòu)周邊構(gòu)件的剛度，降低結(jié)構(gòu)中間構(gòu)件的剛度，以增大結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度。

 

    ③位移比。位移比是控制結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則的指標(biāo)，按照高規(guī)(J GJ 3-2002)第4.3.5條規(guī)定，在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移，A級高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍；B級高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及復(fù)雜高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.4倍。按照高規(guī)(J GJ 3-2002)第4.6.3條規(guī)定，剪力墻結(jié)構(gòu)樓層層間最大位移與層高之比不宜大于1/1000。結(jié)構(gòu)剛度太大，周期太短，導(dǎo)致地震效應(yīng)增大，造成不必要的材料浪費(fèi)；但結(jié)構(gòu)剛度太小，結(jié)構(gòu)變形太大，影響建筑物的使用功能和安全性。筆者建議小高層住宅的位移取1/1250~1/1500比較經(jīng)濟(jì)。

 

    ④剛度比。剛度比是控制結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的指標(biāo)，按照高規(guī)(J GJ 3-2002)第4.4.2條規(guī)定，其樓層側(cè)向剛度不宜小于相鄰上部摟層側(cè)向剛度的70%或其上相鄰三層側(cè)向剛度平均值的80%。若不滿足此條件，其薄弱層對應(yīng)于地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的地震剪力應(yīng)乘以1.15的增大系數(shù)，并應(yīng)對薄弱層部位采取有效的抗震構(gòu)造措施和驗(yàn)算薄弱層的彈塑性變形，層間彈塑性位移角限制不應(yīng)大于1/120。

 

6 、結(jié)束語

    隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，剪力墻結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為多、高層住宅采用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式，在滿足規(guī)范各指標(biāo)的前提條件下，如何做到結(jié)構(gòu)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、合理，就成為我們每一個(gè)建筑結(jié)構(gòu)工程師必需考慮的問題，否則難以滿足開發(fā)商和業(yè)主的要求，也就難于立足當(dāng)今市場。

   

參考文獻(xiàn):

[1]　《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2001（2008年版））

[2]　《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2002）

[3]　《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2002）