居民楼工程短肢剪力墙结构设计

摘要：短肢剪力墙结构兼有框架和剪力墙的优点，其建筑布置灵活、结构受力合

理和工程造价低廉的特点，迎合了小高层住宅建筑的要求，成为当前小高层住宅建筑中最受欢迎的结构形式之一。

关键词：短肢剪力墙结构设计 居民楼

近年来，随着经济发展和生活水平的提高，人们对住宅的要求也越来越高。住宅设计若采用框架结构，往往因柱楞突出隔墙，妨碍美观，会影响使用效果。若采用一般剪力墙结构，虽无柱体外凸的缺点，但对于底部有停车场等公共设施的情况则矛盾很大，满足不了建筑的使用功能；而且，对于房屋高度不太大的小高层建筑，采用剪力墙结构会造成刚度过大，重量增加，导致地震反应过强，使得上部结构和基础造价提高。所以说，对于小高层建筑，一般剪力墙结构体系也不是一种理想的设计方案。在这种情况下，短肢剪力墙结构被广泛的应用于居民楼工程的设计中。“短肢剪力墙结构”是在原有剪力墙的基础上，吸收了框架结构的优点，逐步发展形成的能适应人们新的住宅观念的高层住宅的结构型式。这种新的结构体系由于在很大程度上克服了普通框架与普通剪力墙结构的缺点，受到了建筑师的肯定。短肢剪力墙结构体系便于利用中部竖向交通区形成较为完整的筒体，布置短肢剪力墙保持墙面平整，墙肢布置灵活，同时降低了建筑结构的混凝土用量，所以很受开发商和广大住户的欢迎。

一、短肢剪力墙结构的发展

短肢剪力墙结构最先是在广东等南方发达的中小城市兴起的，主要是用于城市的高层住宅建筑，通常是在中间部位布置成一个竖向交通中心筒，各住宅单元则围绕中心筒布置，构成多式多样平面。经过相当长时期的使用，认为这种格局的高层住宅各单元的通风采光良好，平面紧凑，而且较为经济，已普遍地被接受。短肢剪力墙结构的高层住宅很快就风靡全国，得到了广大的设计人员和开发商及住户的欢迎。

随着短肢剪力墙结构的广泛应用，短肢剪力墙结构也越来越受到关注，国内的研究也很快多了起来。中国建筑科学研究院工程抗震研究所，同济大学土木学院，东南大学土木学院先后完成了短肢剪力墙高层建筑结构的缩小振动台试验，对该结构的动力特性，破坏方式等有了更为深入的了解。河南省建筑设计研究院的牛润生工程师等结合具体工程实例，对比分析了传统的剪力墙的结构方案和短肢剪力墙的结构方案，指出短肢剪力墙结构方案出现的问题和优越性。中国建筑研究院赵西安教授对短肢剪力墙结构的应用作了比较全面的介绍，内容涉及短肢剪力墙结构体系的计算方法和构造等多方面的内容。对短肢剪力墙的研究主要集中在以下几个方面：剪力墙的定义、受力特点分析、结构计算的方法、试验分析其地震反映等。

二、短肢剪力墙结构设计

由于短肢剪力墙的抗侧刚度相对较小，设计时宜布置适当数量的长墙（相对短肢而言）或利用电梯间形成刚度较大的内筒，以避免地震作用下结构产生过大的变形。

短肢剪力墙结构计算模型、配筋方式和构造要求均同于普通剪力墙结构。在 TAT、TBSA 中，只需按剪力墙输入即可，而且 TAT、TBSA 更适合用来计算短肢剪力墙结构。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（多一个截面翘曲角，即扭转角沿纵轴的导数），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。但是，薄壁杆件模型在分析剪力墙较为低宽、结构布置复杂时，也存在一些不足，主要是薄壁杆件理论没有考虑剪切变形的影响，当结构布置复杂时变形不协调。而短肢剪力墙结构由于墙肢较短，本身较高细，更接近于杆件性能，所以，用 TAT、TBSA 计算短肢剪力墙结构能较好地反映结构的受力，精度较高。

对设有转换层的短肢剪力墙结构，框支剪力墙是受力面向受力点过渡，由于薄壁杆件的连接处是点连接，所以用薄壁杆件模型不能很好地处理位移的连续和力的正确传递。因此，带有转换层的短肢剪力结构宜优先采用墙元模型软件进行计算。

三、短肢剪力墙结构的布置原则

进行短肢剪力墙布置的时候，应注意使结构的刚度适宜，传力路径明确，结构专业应较早地介入建筑专业的方案设计，使结构布置既能满足建筑功能的要求又能作到安全可靠，经济合理，布置原则为：

1.均匀、分散、对称、周边。均匀、分散是要求每片剪力墙的抗侧刚度相差不大，避免一、二片刚度特大的剪力墙受力过于集中。对称布置，可使质心和刚心重合，这样可以避免和减少建筑物受到的扭矩剪力墙靠近结构单元的周边布置，可增大房屋的刚度，从而减小结构的扭转周期。

2.高层建筑不应全部是短肢剪力墙结构，若短肢剪力墙较多，可在竖向交通中心区布置筒体或一般剪力墙来共同抵抗水平力。

3.短肢剪力墙应布置在房间分隔墙的交点处且竖向荷载较大处，但不必在每墙交接处设短肢墙满足竖向荷载和抗侧力的需要即可。

4.短肢墙的数量和长短可根据结构受力的需要来确定。可由基本自振周期来判断剪力墙布置是否合理。

5.短肢墙应尽量对齐、拉直，以便和连梁一起构成抗侧力构件。

6.在外凸部分，平面外边缘和角点处，容易产生大的应力集中，应设短肢墙以满足平面刚性和抗扭的要求。

7.采用普通楼板时，短肢剪力墙的间距不应过大，以防止楼板在自身平面内变形过大，否则应采用预应力楼板。

四、短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节

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。核心筒作为主要抗侧力构件时，设计中应保证核心筒与其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。

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