设置转角窗的高层住宅剪力墙结构设计思考

摘要:高层住宅剪力墙结构设置转角窗，虽然满足了用户能充分欣赏室外绿化和室内光线的要求，但同时也给结构设计带来了不少挑战。文章结合实例，阐述了设置转角窗对结构的影响，并对结构局部和整体进行了分析，最后对转角窗的结构设计和构造措施进行了介绍，可供设计人员参考。

关键词:剪力墙结构；转角窗；开洞；结构设计；构造措施

中图分类号：TU241.8 文献标识码：A 文章编号：

近几年，诸多兴建的高层剪力墙住宅楼，为了满足建筑立面效果和采光通风的要求，有相当部分的建筑需要在平面拐角处设置转角窗。在抗震设防区，由于转角窗的存在而取消了具有较大抗扭刚度且抗震性能较好的转角墙，而使高层住宅结构的扭转刚度大为削弱，极易产生扭转不规则的平面类型。因此，设置转角窗的建筑，必须采取切实有效的结构措施，加强平面抗扭刚度，使各项指标趋于正常，以满足规范要求。

1转角窗的设置对结构的影响

就墙肢平面布置来讲，由于角部外墙远离刚心，在X、Y两个方向上都具有很大的抗扭刚度，同时还是联系纵横墙协同工作的有利部位，在对调整整个结构设计指标方面起到重要作用，而角部墙体开洞后，结构抗震性能会减弱，尤其是对结构抗扭刚度的影响，极易形成“扭转不规则”的平面类型。

2电算结果与分析

根据表1所示的8个结构模型，采用结构计算软件SATWE对模型进行计算，这几个模型所受荷载基本相同，层数、平面布置、层高及大部分构件几何参数基本相同。仅在有的模型转角处设置了“L”型剪力墙，有的模型设置了交叉的转角连梁，各种方案的结构模型、底层结构平面布置和部分构件尺寸分别见表1和图1。

表1各种方案的力学模型及构件尺寸

注：方案1角部房间墙肢开洞位置在该房间外墙中部，宽度为1.8m，连梁高度为0.4m，且各方案均是33层。

2.1整体分析

根据结构基本自振周期的经验公式验算可知，上述模型基本符合要求。但结构角部开洞与否，对结构整体效应的变化较明显。虽然它们的平面布置、荷载等基本相同，构件尺寸也相差不大，但结构的自振周期、位移、基底剪力和弯矩变化较明显。角部墙体不开洞比角部墙体开洞的结构自振周期、位移小，基底剪力和弯矩则增大。

连梁跨度与截面高度对整个结构动力特性影响也较大，如角部同样开洞，但洞口大小不同，结构的整体效应相差也是明显的，如方案2、6、7，仅洞口的宽度依次增大，自振周期和位移依次增大，而基底剪力逐渐减小。

方案2、3、4、5，其它条件相同，仅连梁的高度依次增大，自振周期和位移依次减小，而基底剪力逐渐增大。

图1各种方案结构平面布置

2.2局部分析

1)角部墙体开洞与否的影响

为了方便说明问题，当在X方向地震作用下，将轴线A所在外墙称为腹板开洞剪力墙，轴线1、2所在外墙称为翼缘开洞剪力墙，除此之外的墙肢为其余剪力墙。由于该结构下半部分的结构特点(基本上是关于结构平面中心y轴对称，内力也呈现轴对称关系)，故取左半部分为研究对象，例如方案1中，墙肢A、B、C、D和连梁a、b、c构成了一榀腹板开洞剪力墙(沿X方向)，墙肢I、J、K、L和连梁h、i、j构成了一榀翼缘开洞剪力墙(沿y方向)。在X方向地震作用下，两种方案的底层部分墙肢、连梁内力依次见表2、表4，两种方案底层部分墙体的底部弯矩比较见表3。

表2方案1、2底层部分墙体内力

注：表2～7中数据皆是在X方向地震作用F所得。

从表2中可以看出，方案1中腹板墙肢轴力和弯矩两头大，中间小，且翼缘墙肢轴力较腹板处大，如方案1中1轴线上4个墙肢轴力之和为6346.3kN，而腹板左半部分4个墙肢轴力之和仅为872.3kN，两者比值高达7.28；剪力基本上是按其刚度大小分配，翼缘和腹板的剪力相差不大；翼缘处弯矩较腹板处小，腹板左半部分4个墙肢弯矩之和为-560.2kN·m，而左翼缘处4个墙肢之和为79.1kN·m，两者比值为7.08。

表3方案1、2底层部分墙体弯矩比较

注：表中墙肢总弯矩仅指A轴线到B轴线之间所有墙肢方向弯矩之和。表中翼缘、腹板部分仅指表2中选取研究部分的翼缘和腹板。

表4方案1、2底层部分连梁内力

腹板开洞剪力墙的端部墙肢和中间墙肢共同承担了轴力、剪力、弯矩。外墙角部开洞后，两端部墙肢不复存在，相邻墙肢轴力表现为一拉一压，大小比均匀，但单片墙肢上所承受轴力较不开洞时大很多，方案2与方案1中A墙肢轴力之比为2.43；腹板处各墙肢的弯矩较不开洞时大大增加，如方案2中A墙肢弯矩为-439.1kN·m，与方案1中腹板处左半部分4个墙肢弯矩之和-560.2kN·m相差不大；而剪力也明显增大，方案2与方案1腹板处左半部分墙肢剪力之和分别为-443.9kN、-278.8kN，其比值为1.59。

可见，角部墙肢开洞后，外墙墙肢的轴力、剪力、弯矩都有较大增大，特别是腹板两端墙肢，如果内外墙等厚，则外墙此时的轴压比较大，墙肢延性较小，所受地震力也相应大许多。结构在水平地震作用下的倾覆弯矩，除了由各墙肢的弯矩承担一部分外，各相应墙肢的拉压轴力所形成的力偶承担着相当大的一部分弯矩。由表3可知，方案2中结构向基地总弯矩和墙肢总弯矩，都比方案1中的小，但腹板处的墙肢总弯矩却比方案1中的大，其所占总弯矩的比例是方案1中相应比例的1.18倍；而翼缘部分总弯矩较1方案中的小。

由此可见，墙体开洞后腹板承受的弯矩增加较多，这说明开洞后相应墙体间的力臂减少较多，由相应墙体拉压轴力所形成的力偶也相应减少较多，使得腹板墙肢的弯矩增加较多。

由表4可得知，方案1中连梁两端剪力、弯矩基本相等；而方案2中外墙角部洞口处连梁弯矩相差较大，如连梁a、c两端弯矩相差分别为12.4kN·m、12kN·m，处于悬挑梁受力状态。特别需要注意的是，方案2中角部洞口处连梁受扭效应明显，如连梁a达到了一3.5kN·m，而方案1中连梁几乎没有扭矩。

表5部分墙体内力

注：表5、表6中括号外为方案4与方案3的数据，括号内为方案8与方案5的数据。

由于结构平面为“井”字型，在结构腹板中部附近楼板开有大洞，深凹进去，造成方案1、2均有扭转效应，方案1中角部刚度很大，“L”型剪力墙正好起到抵抗扭转的作用，而方案2中，角部墙体被开洞，失去这一重要的受力构件，不但抗扭能力降低，翼缘和腹板也不能很好的协同工作，致使角部的墙肢、连梁、楼板的内力增加，负担加大。易使该处构件受到破坏。

表6部分连梁内力

2)由表5、表6中方案4、8可了解到连梁跨度对墙体和连梁内力的影响。

跨度对结构角部开洞处的外墙墙肢的轴力变化明显，而墙肢的剪力、弯矩变化均很小。如墙肢K的轴力随着跨度增大而减小，两种方案之间的差值，在底层、中问层、顶层分别为279.4kN、66kN、1.8kN，由下往上逐渐减小。可见连梁跨度的变化，对开洞处的墙肢的轴力影响较大。

在方案4中，开洞墙肢附近的连梁剪力基本上比方案8中的大。连梁的剪力变化不是很明显；固端弯矩变化较大，如梁a、c。表现为在底部数层方案4大于方案8，而到顶层则相反，方案8大于方案4，中间层差值较小。两种方案连梁的剪力、弯矩、扭矩随着楼层的增加，先变大后变小。