结合实例浅析短肢剪力墙结构设计

摘要：本文结合工程实例从结构布置、计算分析及构造要求等几方面去分析阐述短肢剪力墙结构设计，并指出在结构设计中应注意的一些问题。

关键词：短肢剪力墙；结构分析；工程实例

1 引言

随着人们对住宅，特别是小高层及多层住宅平面与空间的要求越来越高，原来普通框架结构的露柱露梁、普通剪力墙结构对建筑空间的严格限定与分隔已不能满足人们对住宅空间的要求。于是经过不断的实践和改进，以剪力墙为基础，并吸取框架的优点，逐步发展而形成一种能较好适应小高层住宅建筑的结构体系，即所谓“短肢剪力墙―筒体（或一般剪力墙）”结构体系。广东地区的小高层住宅较多采用该结构体系。为此，本文从结构布置、计算分析及其构造要求等几方面去分析短肢剪力墙结构设计，并附有工程实例进行对比说明。

2 工程概况

某工程为十三层带坡屋面的高层住宅，无地下室，首层架空，总建筑面积为14267m2，在满足安全和使用的前提下，为了满足开发商的建筑美观和降低成本的要求，设计采用了短肢剪力墙结构方案。标准层结构布置见图一。主体结构计算采用中国建筑科学研究院开发的SATWE程序进行分析计算。

图一 标准层结构平面布置图

3 结构布置

“短肢”剪力墙仍属于剪力墙结构体系，只不过是采用较短的剪力墙肢（短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5~8，墙厚不小于200mm的剪力墙）。进行短肢剪力墙布置时，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，又能做到经济合理。

3.1 布置原则

短肢剪力墙总的布置原则是：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。

3.2 平面布置

设计时一般利用间隔墙位置来布置竖向构件，布置应以T形、L形 、]形、 +形为主，这样可增加短肢墙抗扭和出平面外稳定。而连接各墙的梁，随墙肢位置而设于间隔墙竖平面内，可隐蔽。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（或一般剪力墙），形成短肢剪力墙与筒体（或一般剪力墙）共同抵抗水平力的剪力墙结构。各短肢墙应尽量对齐、拉直，使之与连梁一起构成较规则且连续均匀的抗侧力片，并且，每道短肢墙宜有两个方向的梁与之连接。当有抗震要求时，风力较大或平面凹凸较多时，应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要求。实例中，结合建筑平面和使用功能，利用间隔墙位置来布置竖向构件，将筒体（或一般剪力墙）布置于中心楼电梯间处，作为主要的抗侧力构件，以承受主要水平力，在平面凹凸位置、平面外边缘及角点处均布置有短肢墙。见图一。

短肢剪力墙墙肢厚度不宜大，且尽量避免突出隔墙表面，但其厚度不应小于200mm。按抗震等级为一、二级时其截面厚度，底部加强部位≥1/16层高,其它部位≥1/20层高，当为无端柱或翼墙的一字形剪力墙时，底部加强部位的截面厚度≥1/12层高，其它部位≥1/15层高；按抗震等级为三、四级设计时短肢剪力墙的截面厚度，底部加强部位≥1/20层高，其它部位≥1/25层高。如表一示，实例中短肢墙抗震等级为三级，住宅首层为架空层，层高7m，为结构底部加强层，墙肢厚取350mm；其他层层高3.1m，墙肢厚取最小值200mm。

表1 结构布置情况表

层号 层高

（m） 墙肢厚

(mm) 混凝土强度 备注

柱、墙 梁、板

1 7.0 350 C30 C30 底部加强层

2 3.1 200 C30 C30

3～4 3.1 200 C30 C25

5～13 3.1 200 C25 C25

3.3 竖向布置

短肢剪力墙-筒体结构的最大适用高度应比“高规”中剪力墙结构的规定值适当降低，且B级高度和9度抗震设计的A级高度高层建筑，不应采用该结构。短肢剪力墙-筒体结构的竖向布置应符合A级高度高层建筑的一般要求，且在抗震设计时，结构的竖向抗侧力构件宜上下连续贯通。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，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。“高规”规定，短肢剪力墙结构的混凝土强度等级不应低于C25。工程实例中，剪力墙是从承台面一直到屋面层连续布置，墙厚与混凝土强度等级的改变不在同一楼层，如表一所示。

4 计算分析

4.1计算模型

对短肢剪力墙结构的设计计算，因其是剪力墙大开口而成，所以基本上与普通剪力墙结构分析相同。目前应用最多的有两类，一是以薄壁杆理论为基础的软件如建研院TAT、TBSA；二是以墙元理论为基础的软件如SATWE、SSW、TUS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。本人认为采用空间杆-墙组元分析方法计算模型更符合实际情况。

4.2 计算分析

（1）高层结构中的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。

（2）对于墙肢截面高度与厚度比小于等于3的短肢墙则必须按柱的方法进行设计。注意整体计算需考虑填充墙对建筑基本自振周期影响，折减系数可取0.8～0.9。

（3）对于短肢剪力墙的剪力设计值，不仅底部加强部位应按规范调整，其他各层也要调整，一、二级抗震等级应分别乘以增大系数1.4和1.2，主要目的是避免短肢剪力墙过早剪坏。

（4）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采用，主要目的是从构造上改善短肢剪力墙的延性。实例中，建筑物位于6度抗震烈度设防区，按规范要求，短肢剪力墙的结构抗震等级为三级，其余构件的抗震等级均为四级。

（5）短肢墙在重力荷载代表值作用下产生的轴力设计值的轴压比，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力墙，因其延性更为不利，因此轴压比限值要相应降低0.1。

（6）抗震设计时，短肢剪力墙截面的纵向钢筋的配筋率，底部加强部位不宜小于1.2%，其它部位不宜小于1.0%。底部加强部位的高度可取墙肢总高度的1/8及底部两层层高的较大值。

（7）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%。

（8）结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9。实例中，T3为第一扭转振型，T1为第一平动振型，其比值为0.74，小于0.9，满足要求。见表二所示。

表2 振动周期(秒)

振型号 T1 T2 T3 T4 T5 T6 周期比

Tt / T1

周期 1.3999

平动 1.2698

平动 1.0353

扭转 0.4609 0.3872 0.3364 T3/T1=0.74

5 构造要求

由于短肢剪力墙结构抗震性能较差，因此应加强概念设计，并对一些不利部位加强构造措施。

（1）短肢剪力墙结构的抗震薄弱部位是建筑平面外边缘的角部处的墙肢，当有扭转效应时，会加剧已有的翘曲变形，使其墙肢首先开裂，因此应加强其抗震构造措施，如减小轴压比、增加纵筋和箍筋的配筋率。

（2）为了确保水平力的可靠传递，核心区楼板应适当加厚。楼板开大洞削弱后，宜加厚洞口附近楼板，提高楼板的配筋率，采用双层双向配筋，或加配斜向钢筋。实例中，住宅中部存在楼电梯，属楼板开大洞，因此对4～9轴间的楼板加厚（h=150mm），且对该区域的楼板进行双层双向拉通配筋。

（3）高层建筑剪力墙中竖向和水平分布钢筋，不应采用单排配筋，一、二、三级抗震设计的配筋率不小于0.25%，四级抗震设计和非抗震设计时均不应小于0.20%。

（4）一、二级抗震设计的短肢剪力墙结构在底部加强部位及相邻上一层应设置约束边缘构件，其它部位以及三、四级抗震设计应设置构造边缘构件。关于约束边缘构件和构造边缘构件的具体要求可参见规范有关条文。

（5）剪力墙的连梁应进行斜截面受剪和正截面受弯承载力计算。连梁的正截面配筋，按矩形截面构件计算，取上、下配筋的较大值，按对称配筋置于梁截面上、下部位。按斜截面抗剪计算所得的箍筋沿全跨加密设置。对于个别连梁，因其跨度小，刚度很大，地震作用下允许连梁局部开裂，可将连梁的刚度予以折减，抗震设计的剪力墙的连梁弯矩及剪力也可进行塑性调幅，以降低其剪力设计值。若在内力计算时已经折减连梁的刚度，则调幅的范围应当受到限制或不再进行调幅，以避免在使用状况下连梁中裂缝开展过早、过大。当部分连梁降低弯矩设计值后，其余部位连梁和墙肢的弯矩设计值应相应提高。

（6）由于外墙面钢筋混凝土短墙肢之间的填充墙与钢筋混凝土墙的变形模量不同，在二者交界处易产生裂缝，通常采取的措施是在做粉刷时，在二者交界面处附粘一层玻璃丝布，使应力平缓过渡。

6 结语

作为剪力墙结构体系的分支，短肢剪力墙结构由于结构布置方面的灵活性和可调整性，使其各项技术经济指标均较一般剪力墙结构理想，因而在小高层住宅楼结构设计中已被广泛采用。设计短肢剪力墙结构时，应区别于一般剪力墙结构，多结合住宅特点，使结构刚柔适中，并运用抗震概念设计的原则，采取有效的抗震措施，注重细部设计，从而做到结构设计安全、经济、适用。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。