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建筑工程短肢剪力墙的结构设计
RSS 打印 复制链接 发布时间:2017-08-29 17:31:04

【摘要】短肢剪力墙是我国工程技术人员近年来经常使用的一种抗侧力构件,它在很大程度上克服了普通框架结构的露梁露柱、普通剪力墙结构对建筑空间的严格限定等弊病,满足了人们对住宅空间美观与灵活分隔的要求。同时,又可以进一步减轻结构自重,因此在高层住宅结构中得到了日益广泛的应用。 

【关键词】建筑工程;短肢剪力墙;结构设计  

  1 短肢剪力墙的含义及特性 

  我国现行《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)对短肢剪力墙的定义是:短肢剪力墙是指墙肢截面墙应满足4<hc/b≤8,这里,hc为墙肢截面的高度,b为墙肢截面的厚度。 

  短肢剪力墙属剪力墙的一种,通过采用T形、L形、十字形等墙肢。这些墙肢主要分布于房间分隔墙的交点处,并视抗侧力的需要和分隔墙形式而布置适当数量的各种形式的短肢墙,并在各墙肢处布置连梁,把这些短肢墙连结成一个整体,而未利用部分的剪力墙中的间隔墙则用轻质砌体填充。短肢剪力墙的主要特性有: 

  1.1 常结合建筑平面,利用间隔墙位置来布置竖向构件,基本不与建筑使用功能发生矛盾,短肢剪力墙截面较薄,基本不凸出间隔墙表面,大大改善大截面矩形柱占用使用面积及其对使用的不便。 

  1.2 墙的数量可多可少,墙肢可长可短,视结构受力需要而定,可通过调整短肢剪力墙不同的尺寸和位置以调整刚度大小及刚度中心的位置。 

  1.3 能灵活布置,可选择的布置方案多,较易处理支撑楼盖的要求,楼盖可用肋形梁楼盖,亦可用大跨度平板楼盖。 

  1.4 短肢墙力剪的连系梁位于问隔墙竖向平面内,基本属于隐蔽型。 

  1.5 视建筑平面及抗侧力的需要,对中心竖向交通区可处理成简体或做成短肢剪力墙。 

  1.6 由于减少了剪力墙而代之以轻质砌体,可减轻高层总质量,加快施工速度。 

  1.7 当下部数层要求为大空间时,较易通过转换层来处理上下部结构的关系。 

  2 短肢剪力墙结构设计的一般规定 

  2.1 结构布置 

  短肢剪力墙结构的一般布置原则:短肢墙的数量应当适中,满足竖向荷载和抗侧力需要即可;短肢墙应尽量均匀分布,其轴向应力不应相差悬殊,当有抗震要求或风力较大或平面凹凸较多时, 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的要求:各短肢墙应尽量对齐、拉直,使之与连梁一起构成较规整且连续跨数较多的抗侧力片,当不能完全做到时也允许局部互相错开,每道短肢墙与两个方向的梁连结,连梁尽可能布置在墙肢的竖平面内,连梁宽度一般宜与墙肢厚度相等;墙肢不宜过厚,尽量不凸出或少凸出间隔墙表面,但亦不应太薄以导致稳定性差和施工困难,以采用200 mm、250 mm或300 mm为宜;可以混合布置部分较长的墙或异形柱;在抗震设计中,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底部地震倾覆力矩的50%。 

  2.2 适用高度 

  7度抗震设计最大高度为lOO m,8度(0.2g)为80m,8度(0.3g)为60 m,B级高度高层建筑和9度抗震设计的A级高度的高层建筑,即使设置简体,也不应采用短肢剪力墙体系。 

  2.3 轴压比限值 

  根据国内外目前所做的试验结果,当剪力墙所承受的轴压力较大时,延性较差,原因在于此时剪力墙处在压弯状态下,受压区较高,呈小偏心状态,所以要限制轴压比。考虑改善延性,短肢剪力墙在重力荷载代表值作用下的轴压比,抗震等级为一、二、三时分别不宜大于0.45、0.5、0.55,对于无翼缘或端柱的一字形短肢剪墙,由于延性较差,轴压比限值相应降低0.1。 

  2.4 肢厚比限值 

  肢厚比小的结构墙肢强度储备不大,肢厚比大的结构墙肢强度储备充足安全性好,但其材料特性不能充分发挥,经济性差,从结构的综合性能看,肢厚比为6.0~7.0的短肢剪力墙结构性能较好,同时具有一定的能量储备,材料性能发挥较为充分。 

  2.5 连梁跨高比限值 

  随着连梁跨高比的减小,短肢剪力墙的开裂荷载屈服、荷载、极限荷载逐渐增大,但当连梁跨高比减小到一定程度,增大幅度逐渐减小,连梁跨高比为1.5左右的短肢剪力墙试体的综合性能较好。 

  3 短肢剪力墙的受力性能特点 

  3.1 短肢剪力墙主要受力特点是以整体弯曲为主,大多数楼层的墙肢没有反弯点。整体水平位移曲线与竖向悬臂柱相似,以弯曲型为主 

  3.2 短肢剪力墙结构体系中连梁是一个耗能构件,在振动台试验中出现了两种破坏形态:弯曲破坏和剪切破坏。 

  3.3 构件的延性随肢高后比的增加迅速降低,构件的承载力并未随墙肢刚度的增加而增加。连梁和墙肢的刚度比影响短肢墙的受性能,取0.o3~0.05范围内较好。 

  3.4 短肢剪力墙结构的抗震薄弱部位是建筑平面外边缘及角部处的墙肢首先开裂,因此应加强抗震构造措施。 

  3.5 一字型墙肢的破坏最为严重,短肢剪力墙应尽量设翼缘。 

  3.6 短肢剪力墙是一种强肢弱梁型的联肢剪力墙,在大部分情况下连梁首先开裂,然后墙肢开裂。 

  4 短肢剪力墙的配筋计算 

  按照我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010),当墙厚小于或等于250 mm时,墙肢端部的暗柱面积Ac=1.5-2.0bw这是合适的。但是随着建筑物的层数越来越高,各墙肢的厚度也必将越来越厚,如果还是按上式计算,势必造成很大浪费,与此同时还会出现暗柱主筋间距过大(>250 mm)。因此在实际设计中,可以根据不同墙厚取值,当bw<250 mm时,Ac=1.5―2.0bw,当bw>250 mm时,取Ac=1.0-1.5bw。 

  在运用程序计算短肢剪力墙时,其计算模型、构造要求和配筋方式均和普通剪力墙结构相同。在TAT中就按照剪力墙结构输入即可,并且TAT的计算模型都是薄壁杆件模型和杆件。其中梁、柱均为普通空间杆件,每个端部有6个自由度,墙为薄壁杆件,比梁、柱多一个自由度,即多一个截面曲角。考虑了墙元非平面变形的影响,根据矩阵位移法由单元刚度矩阵形成总刚度矩阵,假设楼板平面内刚度无限大,减掉部分未知量之后求解,它广泛应用于各种平面布置,未知量少、精度高。但是,薄壁杆件模型在分析、结构布置复杂(含有转换层),并且比较低宽的剪力墙时,也存在一些不足,关键是薄壁杆件理论没考虑剪切变形对结构的影响,当结构布置复杂时,变形将不协调。由于短肢剪力墙肢长与墙厚之比为4~8,本身就比较高细,更接近于杆件性能,因此,用TAT计算短肢剪力墙结构能较好地反映结构的真实受力特征。 

  5 短肢剪力墙的设计提议 

  研究表明,建筑平面外边缘及角点处的墙肢、底部外围的小墙肢、连梁等是短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节。当有扭转效应,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,高层短肢剪墙结构将以整体弯曲变形为主,底部外围的小墙肢,截面面积小且承受较大的竖向荷载,破坏严重,尤其是“一”字形小墙肢破坏最严重;在短肢剪力墙结构中,由于墙肢刚度相对较小,使连梁受剪破坏的可能性增加。 

  因此,在短肢剪力墙结构设计时,对这些薄弱环节,更应加强概念设计和抗震构造措施。例如:短肢剪力墙在平面上分布要力求均匀,使其刚度中心和建筑物中心尽量接近,以减小扭转效应;适当增加建筑平面外边缘及角点处的墙肢厚度,加强墙肢端部的暗柱配筋,严格控制墙肢截面的轴压比不超过限值,以提高墙肢的承载力和延性。 

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