建筑短肢剪力墙结构设计探讨

【摘要】：在现代建筑行业中短肢剪力墙结构是一种比较常用的结构形式,短肢剪力墙结构不仅可使室内不露梁、不出现柱楞，增加使用面积，而且能够改善建筑的功能。本文针对短肢剪力墙结构设计中出现的相关问题及改善措施进行了分析研究，

【关键词】：建筑；短肢剪力墙；结构设计

中图分类号：TU318文献标识码：A文章编号：

引言

短肢剪力墙结构其确切的称呼应为较多短肢的剪力墙结构，它是近年来才兴起的， 短肢剪力墙过多的剪力墙结构能够给住宅建筑内部的分布带来很大的方便,其能够满足更多用户对平面有效分割的需要，能够有效防止框架结构露梁露柱的缺陷。由于其有利于住宅建筑布置，进一步减轻了结构自重，减弱了结构的侧向刚度,使得结构的自振周期不断增大,间接地增强了结构承受震动的能力，也降低了基础及上部结构的造价，应用也逐渐广泛起来，但受到新型结构抗震性的影响,其在地震较多的地区没有得到太多的运用,为了确保万无一失,在运用短肢剪力墙结构抗震设计过程中,对其的运用范围应该加以限制,也更应该完善相应的抗震方法。

短肢剪力墙结构的概念及特点

1.1短肢剪力墙结构的概念

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3―2010）中规定，短肢剪力墙是指墙肢截面的高度（水平截面的长度）与厚度（水平截面的宽度）之比大于4但不大于8的剪力墙，当短肢剪力墙比较多的时候，形成一般剪力墙或筒体与短肢剪力墙共同抵抗水平方向的剪切力的墙结构，称之为短肢剪力墙结构。

短肢剪力墙结构在建筑工程中的使用需满足一个必要条件，即做抗震的设计时，短肢墙承受的第一振型底部的地震倾覆力矩不大于结构总底部地震倾覆力矩的50%.这是由于短肢剪力墙结构的抗震能力较弱，故高层建筑结构中短肢剪力墙较多的时侯，应布置一般剪力墙（或筒体），建立合理的剪力墙体系，共同来抵抗水平力。

1.2短肢剪力墙结构的特点

（1）短肢剪力墙结构能够灵活布置：可以通过用不同的布置和尺寸调整刚度及刚度的中心位置，还可以根据抗侧力的需要而确定，墙的数量可多可少，肢长可长可短。

（2）节能降耗：由于减少了剪力墙而以轻质的砌体代之，房屋的自重可以得到减轻，地震对建筑的作用也随之减小，因而能够使造价降低。

符合建筑的需要：连接各墙的梁，位于隔墙竖向平面内，属隐蔽型，利用隔墙的位置用来布置竖向的构件，使结构受力需要与建筑使用功能较好地统一起来，避免了框架结构中梁柱突出墙面的问题。当下部层数要求为大空间时，上下结构的关系较易通过转换结构来处理。

2. 短肢剪力墙结构布置的原则

(1)短肢剪力墙其一般主要布置在房间间隔墙的交接处，为了避免建筑结构的过刚或者过柔，墙肢的数量要根据具体的抗侧力的要求来进行确定。

(2)短肢剪力墙应该尽量的布置均匀，这样可以保证建筑物的刚心和质心相一致，在地震中避免发生扭转。

(3)墙肢的厚度一般不宜过大，以避免各间隔墙的表面出现墙肢凸出。

(4)在结构的布置上，要使短力墙尽量的对齐拉直，使其形成成片联肢抗侧力的结构。

（5）如果建筑物水平荷载较大或造型不规则，应该在平面外边缘处及各角点布置短肢剪力墙来加强结构的整体性和满足结构平面刚度的要求。

3.短肢剪力墙结构的设计

在短肢剪力墙的设计过程中,对其布置情况应尽量使结构平面形状和刚度均匀对称，质量中心与刚度中心重相重合,短肢剪力墙的分布情况应该按照L形、T形、十字形、Z形等情况加以设计,以保证平面与短肢剪力墙抗扭之间的稳定性达到要求。对于一些重点的抗侧力结构简体通常要使用楼梯,但必须要确保设置不宜太集中以避免建筑出现过大的扭转效应，刚度在一定的均衡性内,且筒体的刚度也要达到标准的需要,确保常规剪力墙与简体承受的第一振型底部地震倾覆力矩大于结构总底部地震倾覆力矩的50％,以维持水平力的可靠传递,并对重要的区域的楼板增加厚度,为了维持建筑内部的结构性能，要对与核心筒连接的梁需参照强度指标设计。

4.短肢剪力墙的轴压比

短肢剪力墙的受力主要来源于竖向荷载,其次则是水平荷载,短肢剪力墙一、二、三级抗震等级剪力设计值应分别乘以增大系数1.4、1.2和1.1，这样做的好处是为了防止短肢剪力墙受到太大的剪力而损坏。在重力荷载代表值影响下，短肢剪力墙的轴压比, 一、二、三级抗震等级分别控制在0.4、0.5与0.55。一字形截面短肢剪力墙的轴压比限值应相应减小0.1。

5.结构计算

目前国内大多采用中国建研院PKPM系列软件中的TAT 或SATWE来计算短肢剪力墙的结构体系，在设计中采用基于空间工作的计算机分析方法，对结构进行正确的计算假定与分析。

SATWE适用于各种复杂体型的商层钢筋混凝土结构体系计算，是专门为多高层建筑结构的分析而研发的空间组合结构有限元分析软件。SATWE以壳元理论为基础构造了一种通用的墙元来模拟剪力墙,这种墙元的每个节点都具有空间6个自由度,可以方便地与任意空间梁柱单元进行连接,无需任何附加的约束，墙元对剪力墙的洞口位置和尺寸无限制，具有较好适用性。

TAT采用的是三维空间模型,对梁柱采用空间杆系计算原理，对剪力墙采用薄壁柱单元计算原理。为了使建筑结构的受力更均匀合理,应对建筑结构进行计算的简化。对多肢墙的计算通常是按剪力墙开洞的方法来进行,开的洞口应上下对齐,否则会对剪力墙的力学性能造成较大的影响。在剪力墙上面开洞后,洞口剩余部分要TAT,采用梁单元来进行模拟。

由此可以看出TAT和SATWE下计算结果差别主要是因为对剪力墙的计算模型不同,结构计算刚度不同,产生的地展作用、内力分配及位移不同。据参考文献，与SATWE采用的墙元相比,,TAT采用薄壁杆件单元，在其他条件相同的情况下，来近似的计算短肢剪力墙,建筑结构的自震周期偏短，刚度计算值也比较偏大。而体型复杂、结构布置复杂时应采用至少2种不同的力学模型结构分析软件来进行整体的计算。所以,对于建筑短肢剪力墙结构,建议采用SATWE来进行计算，但当结构体型比较复杂时，用TAT的计算值和SATWE计算作补充与对比。

6.建筑短肢剪力墙结构设计时应注意的问题

(1) 主要的抗侧力结构长墙或筒体一般利用楼电梯间，筒体要有足够的刚度，其平面尺寸不宜过小，同时不要集中在一处布置而使建筑产生过大的扭转效应，注意刚度的均衡性，要使筒体和一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50％，形成多道的抗震防线，与核心筒相连的连梁应按强剪弱弯设计，短肢墙之间的连梁净跨度不宜过小 ( 一般取 4 ～ 6m) 使其具有一定的耗能作用，为了确保水平力可靠传递，核心区楼板适当加厚。

(2) 建筑底部的连梁、小墙肢，平面外角点处及边缘的墙肢等是短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节。在地震作用下，建筑短肢剪力墙结构将会以整体的弯曲变形为主，当有扭转效应时，建筑平面的角点处及外边缘的墙肢会首先遭到破坏，结构底部的小墙肢由于承受的竖向荷载较大且截面积小，破坏严重，尤其是“一”字形的小墙肢被破坏的最厉害；在短肢剪力墙的结构中，由于结构墙肢刚度的相对减小，会导致连梁受剪切力时被破坏的可能性增加，对建筑的抗震设计不利，设计结构墙肢时应注意，要保证连梁的受弯屈服先于剪切破坏，对连梁进行“强剪弱弯”方面的验算，连梁宜布置在各墙肢的平面内，短肢剪力墙宜在两个方向均有梁与之相拉结，避免用“一”字形小墙肢。

(3)建筑短肢剪力墙结构在水平力作用下，底部小墙肢承受较大的扭转剪力和竖向荷载，以整体的弯曲变形为主，由一些模型试验反映出外周围墙肢开裂的问题，因而要对外周边墙肢加大配筋量和厚度，加强墙肢的延性抗震性能。

( 4） 在运用软件进行计算机辅助设计时, 应根据建筑结构的实际情况调整软件的简化模型及各项参数,尽可能地使其计算结果与实际模型相一致，使其最大程度地反映实际工程的情况。要了解各参数的实际意义, 合理的设置各项参数。对于整体性系数比较大的短肢墙,为使它的结构在水复荷载作用下能够消耗更多的能量，应尽可能得的减小其肢强系数。

( 5) SATWE程序中, 在各种抗震等级下, 墙的内力放大系数均是隐含值, 但作为设计者, 应清楚这些系数的取值。对于计算的结果不能因某一部分的计算结果有误差就全盘否定计算方法或软件, 只有在实践中逐步了解软件并在工作中避免其产生误差, 这样才能使我们的设计更安全, 更合理。

结语

在现代建筑行业中短肢剪力墙结构已成为了很关键的一种形式,作为一种新兴的结构体系，短肢剪力墙结构能够实现建筑大开间、平面及房间布置灵活、方便，室内不出现柱、梁壳等诸多要求，应用前景广阔。因此，我们要合理布置短肢剪力墙结构，对一些薄弱部位采取加强措施，保证其结构的安全可靠。

参考文献：

[1]董海棉.高层建筑短肢剪力墙结构设计[J]．甘肃科技，2009，（10）．

[2]张亚，陈伟.探讨高层建筑结构设计问题[J]．科技致富向导,2010(17).

[3]邝超民．短肢剪力墙结构分析与设计[J]．广东建材,2008（2):81-82.