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淺談剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
【論文關(guān)鍵詞】剪力墻 短肢剪力墻 加強(qiáng)部位 有限元
論文摘要：剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括墻肢、連梁布置、截面計(jì)算及配筋構(gòu)造等。本文著重論述剪力墻設(shè)計(jì)中應(yīng)著重注意以下問(wèn)題：
1、剪力墻的布置；
2、有關(guān)短肢剪力墻設(shè)計(jì)。
一、剪力墻布置
剪力墻布置除應(yīng)符合規(guī)程中有關(guān)規(guī)定外，在本文中進(jìn)一步對(duì)剪力墻的布置提出了一些要求，其中關(guān)于短肢剪力墻和梁、墻布置都屬于本文著重闡述的內(nèi)容。
1、雙向布置剪力墻及抗側(cè)剛度
高層建筑應(yīng)有較好的空間工作性能，剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)雙向布置，形成空間結(jié)構(gòu)。在抗震結(jié)構(gòu)中，應(yīng)避免單向布置剪力墻，并宜使兩個(gè)方向抗側(cè)剛度接近，即兩個(gè)方向的自振周期宜相近。
另一方面，剪力墻的抗側(cè)剛度及承載力均較大，為充分利用剪力墻的能力，減輕結(jié)構(gòu)重量，增大剪力墻結(jié)構(gòu)的可利用空間，墻不宜布置太密，使結(jié)構(gòu)具有適宜的側(cè)向剛度。
2、豎向剛度均勻
剪力墻布置對(duì)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度有很大影響，剪力墻沿高度不連續(xù)，將造成結(jié)構(gòu)沿高度剛度突變，所以應(yīng)要求剪力墻自上到下連續(xù)布置。允許沿高度改變墻厚和混凝土等級(jí)，或減少部分墻肢，使抗側(cè)剛度沿高度逐漸減小。
3、墻肢高寬比
細(xì)高的剪力墻容易設(shè)計(jì)成受彎曲破壞的延性剪力墻，從而可避免脆性的剪切破壞。在抗震結(jié)構(gòu)中剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)具有延性，設(shè)計(jì)中墻的高寬應(yīng)比不應(yīng)小于2。當(dāng)墻的長(zhǎng)度很長(zhǎng)時(shí)，為了滿足每個(gè)墻段高寬比大于2的要求，可通過(guò)開(kāi)設(shè)洞口將長(zhǎng)墻分成長(zhǎng)度較小、較均勻的獨(dú)立墻段，每個(gè)獨(dú)立墻段可以是整體墻，也可以是聯(lián)肢墻。
4、剪力墻洞口的布置
剪力墻洞口的布置，會(huì)極大地影響剪力墻的力學(xué)性能。因此，布置剪力墻洞口時(shí)應(yīng)滿足以下3方面要求。
（1）規(guī)則開(kāi)洞，洞口成列、成排布置，能形成明確的墻肢和連梁，應(yīng)力分布比較規(guī)則，又與當(dāng)前普遍應(yīng)用程序的計(jì)算簡(jiǎn)圖較為符合，設(shè)計(jì)結(jié)果安全可靠。同時(shí)宜避免使墻肢剛度相差懸殊的洞口設(shè)置；
�。�2）對(duì)于錯(cuò)洞剪力墻和疊合錯(cuò)洞墻，二者都是不規(guī)則開(kāi)洞的剪力墻，其應(yīng)力分布復(fù)雜，容易造成剪力墻的薄弱部位，常規(guī)計(jì)算無(wú)法獲得其實(shí)際內(nèi)力，構(gòu)造比較復(fù)雜。其主要特點(diǎn)是洞口錯(cuò)開(kāi)距離很小，甚至疊合，不僅墻肢不規(guī)則，洞口之間形成薄弱部位，疊合錯(cuò)洞墻比錯(cuò)洞口墻更為不利，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免。當(dāng)無(wú)法避免疊合錯(cuò)洞布置時(shí)，應(yīng)按有限元方法仔細(xì)計(jì)算分析并在洞口周邊采取加強(qiáng)措施或采用其他輕質(zhì)材料填充將疊合洞口轉(zhuǎn)化為規(guī)則洞口的剪力墻或框架結(jié)構(gòu)；
�。�3）具有不規(guī)則洞口剪力墻的內(nèi)力和位移計(jì)算應(yīng)符合規(guī)程的有關(guān)規(guī)定。目前除了平面有限元方法外，尚沒(méi)有更好的簡(jiǎn)化方法計(jì)算。對(duì)結(jié)構(gòu)整體計(jì)算中采用了桿系、薄壁桿系模型或?qū)Χ纯谧髁撕?jiǎn)化處理的其他有限元模型時(shí)，應(yīng)對(duì)不規(guī)則開(kāi)洞墻的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析、判斷，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算和校核。
5、剪力墻和加強(qiáng)部位
�。�1）抗震結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)塑性鉸的部位應(yīng)作為加強(qiáng)部位。而剪力墻頂層、樓電梯間墻等不宜作為加強(qiáng)部位，這樣作的目的是對(duì)塑性鉸部位可以有更明確的措施，與由于溫度、收縮等需要的加強(qiáng)措施區(qū)別；
（2）剪力墻塑性鉸出現(xiàn)后，剪力墻應(yīng)具有足夠的延性，剪力墻底部塑性鉸出現(xiàn)都有一定范圍，該范圍內(nèi)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)構(gòu)造措施，提高其抗剪切破壞的能力；
�。�3）為安全起見(jiàn)，設(shè)計(jì)剪力墻時(shí)將加強(qiáng)部位范圍適當(dāng)擴(kuò)大，抗震設(shè)計(jì)時(shí)，一般剪力墻結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)部位的高度可取墻肢總高度的1/8和底部?jī)蓪佣叩妮^大值，當(dāng)剪力墻高度超過(guò)150m時(shí)，為避免加強(qiáng)區(qū)太高，其底部加強(qiáng)部位的高度可取墻肢總高度的1/10。
二、短肢剪力墻設(shè)計(jì)要求
短肢剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比為5~8的剪力墻，一般剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比大于8的剪力墻。當(dāng)截面高度與厚度之比小于3時(shí)，應(yīng)按柱計(jì)算（當(dāng)形成異型柱時(shí)，則應(yīng)按異型柱的要求設(shè)計(jì)，但高層建筑中不允許采用異型柱框架結(jié)構(gòu)），至于剪力墻高度與厚度之比大于3、又小于5的剪力墻，實(shí)際上也是短肢剪力墻，由于它們更弱，可以提出不宜采用小于5的墻肢，對(duì)這種小墻肢的軸壓比應(yīng)修予更嚴(yán)格的限制，因此即使采用短肢剪力墻，也要盡可能使墻肢截面高度與厚度之比大于5。
近年興起的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，有利于住宅建筑布置，又可進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)自重，應(yīng)用逐漸廣泛。但是由于短肢剪力墻抗震性能較差，地震區(qū)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不多，考慮高層住宅建筑的安全，其剪力墻不宜過(guò)少、墻肢不宜過(guò)短，可以對(duì)短肢剪力墻的應(yīng)用范圍應(yīng)在設(shè)計(jì)中加以限制，并采取一些加強(qiáng)措施。
1、應(yīng)用范圍
高層建筑結(jié)構(gòu)不應(yīng)采用全部為短肢剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：短肢剪力墻較多時(shí)，應(yīng)布置筒體（或一般剪力墻），形成短肢剪力墻與筒體（或一般剪力墻）共同抵抗水平力的剪力墻結(jié)構(gòu)；其次，具有較短肢剪力墻的墻的剪力墻結(jié)構(gòu)最大適用高度應(yīng)比規(guī)范中剪力墻結(jié)構(gòu)的規(guī)定值適當(dāng)降低，7度和8度抗震設(shè)計(jì)時(shí)分別不應(yīng)大于100m和60m；第三，對(duì)于B級(jí)高度高層建筑和9度抗震設(shè)計(jì)的A級(jí)高度高層建筑，即使設(shè)置筒體，也不應(yīng)采用具有較多短肢剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)；第四，如果在剪力墻結(jié)構(gòu)中，只有個(gè)別小墻肢，不屬于這種短肢剪力墻與筒體共同工作的剪力墻結(jié)構(gòu)。
2、加強(qiáng)措施
對(duì)于短肢剪力墻設(shè)計(jì)中應(yīng)著重以下加強(qiáng)措施。
（1）為限制過(guò)多的剪力墻的數(shù)量，在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，筒體和一般剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩不宜小于結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩50%；
�。�2）抗震設(shè)計(jì)時(shí)，短肢剪力墻的抗震等級(jí)應(yīng)比規(guī)范中規(guī)定的剪力墻的抗震等級(jí)提高一級(jí)采用；目的是從構(gòu)造上改善短肢剪力墻的延性；
�。�3）出于改善延性的考慮，抗震設(shè)計(jì)時(shí)，各層短肢剪力墻在重力荷載代表值作用下產(chǎn)生的軸力設(shè)計(jì)值的軸壓比，抗震等級(jí)為一、二、三時(shí)分別不宜大于0.5、0.6和0.7（對(duì)一般剪力墻，三級(jí)抗震等級(jí)時(shí)軸壓比未限制）；對(duì)于無(wú)翼緣或端柱的一字形短肢剪力墻，其延性更為不利，因此軸壓比限值要相應(yīng)降低0.1；
（4） 對(duì)于短肢剪力墻的剪力設(shè)計(jì)值，不僅底部加強(qiáng)部位應(yīng)調(diào)整，其他各層也要調(diào)整，一、二、級(jí)抗震等級(jí)應(yīng)分別乘以增大系數(shù)1.4和1.2，目的是避免短肢剪力墻過(guò)早剪壞；
（5）短肢剪力墻截面的縱向鋼筋的配筋率，底部加強(qiáng)部位不宜小于1.2%，其它部位不宜小于1.0%；
（6）對(duì)于短肢剪力墻截面最小厚度，無(wú)論抗震還是非抗震設(shè)計(jì)，其厚度都不應(yīng)小于200㎜；對(duì)于非抗震設(shè)計(jì)，除要求建筑最大適用高度適當(dāng)降低外，對(duì)墻肢厚度限制的目的是使墻肢不致過(guò)小。
總之，在剪力墻布置中洞口宜上下對(duì)齊使之受力明確，盡量避免出現(xiàn)錯(cuò)洞與疊合錯(cuò)洞的出現(xiàn)。在短肢剪力墻設(shè)計(jì)中應(yīng)注意其肢長(zhǎng)、加強(qiáng)部位、構(gòu)造要求等要求。
參考資料：
[1]呂文、錢(qián)稼茹，基于位移延性剪力墻抗震設(shè)計(jì)《建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)》1999.3 。
[2]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中國(guó)建筑工業(yè)出版社。
[3]袁端眼、虞煥新，《工程結(jié)構(gòu)》同濟(jì)大學(xué)出版社。
[4]《全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施·結(jié)構(gòu)》中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院。
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