基于STM理论剪力墙简化模型的研究

基于STM理论剪力墙简化模型的研究

林铄斌蒋哲陈楷忠陈益

中国建筑第四工程局有限公司广东深圳510006

摘要：STM模型具有力学概念清晰、受力直观、简单易懂的优点。它已广泛应用于复杂结构区域或构件的配筋计算和梁柱节点的强度验算。基于STM模型的概念，提出了高层钢筋混凝土结构离散剪力墙拉杆、压杆和钢梁组成的剪力墙宏单元模型，并对剪力墙弹塑性地震反应进行了模拟。本文针对剪力墙模型的布置进行论述，分析了剪力墙的影响因素，并提出了部分相应的解决办法，希望有所帮助。

关键词：剪力墙；结构；影响因素；方法

引言

钢筋混凝土剪力墙结构是目前工业和民用建筑中最重要的结构形式之一。它是框架-剪力墙高层结构体系中最重要的抗侧力构件。它主要承受地震的水平作用，也是受力最复杂的构件，因此，建立一个可靠的数学模型来合理描述其力学性能具有一定的工程价值，同时剪力墙应力分析对高层框架剪力墙结构的抗震分析也具有重要意义。

1STM模型简介

STM模型又称拉压杆模型，是钢筋混凝土结构在外力作用下内部非线性应力场的离散表达式。根据结构在外力作用下的内应力迹线图，将桁架结构的应力场替换为由钢筋拉杆、混凝土压杆和混凝土节点组成的结构。

2结构布置

2.1结构中间部位布置剪力墙的原则

建筑专业对结构梁的布置有许多限制，以能够满足使用功能的需要。在获得建筑图纸时，结构人员应首先考虑梁的布置，避免主次梁之间的关系过于复杂。如果主次梁之间的关系过于复杂，次梁数量过多，主次梁的失效可能导致结构相关区域的服务功能丧失，这在结构设计概念中是不允许的。根据这一原则，应布置地板梁安装所需的剪力墙。

2.2结构周边部位布置剪力墙的原则

结构周围的剪力墙可以提供垂直刚度，以减小结构的位移，提高结构的扭转刚度，减少扭转循环。当剪力墙布置在结构周围时，剪力墙应尽量布置在允许的墙体位置。在满足建筑物使用功能的前提下，可根据结构位移计算的需要，增加或减少与周围剪力墙连接的其他方向肢的长度。

2.3在不违反规范前提下应尽量布置长墙

考虑到经济性，当剪力墙布置较短且较大时，剪力墙内暗桩数量较多。如果设置长墙，则会减少一些不必要的墙或洞口，从而减少剪力墙中隐藏桩的数量。当墙体数量相同时，可减少钢筋数量，并在施工图中节省一定的时间。

3模型调整方法

3.1调幅法

在抗震设计中，可以对剪力墙连接梁的弯矩和剪力进行塑性调整，以减小剪力设计值。但在结构计算中，当部分连接梁的弯矩设计值减小时，其他连接梁的弯矩和弯矩也相应增大。用调幅法处理连梁时，应保证连梁对竖向荷载没有明显的影响。

3.2减小和加大梁高

减小梁高可以减小作用在梁上的内力，这对于调整多余的钢筋通常是非常有效的，但当结构位移接近极限时，可能会引起过量的位移。增加梁的高度可以增加连接梁的内力和阻力，不超过钢筋，减少连接梁的位移。然而，这种方法可能会受到横梁高度的限制。当连接梁高度超过一定限值时，需要对结构进行加固，这也会导致钢筋数量的增加。

4分析方法

4.1解析法

解析法又称为等效连续法或微分方程法。结构各层应力分量沿高度方向连续分布，然后用微分方程求解结构的内力和变形。该方法最初用于剪力墙的静力分析，并在70年代扩展到了动力分析，但具有很大的局限性，只能用于有规则形状和开口的剪力墙。此外，对于低层和多层建筑，该方法的误差较大。

4.2数值解法

这种方法也称为等效离散化方法。将整个结构的连续性离散成不同尺寸和类型的单元，用节点代替原结构形成一个整体，满足整个结构的平衡和变形协调条件。因此，可以通过位移法、力法和混合法得到数值解。该方法具有通用性强、编程方便、精度高等特点，在工程中得到了广泛的应用。

4.3半解析半数值法

对于许多具有规则几何和简单边界条件的结构，完整的有限元分析往往是浪费和不必要的。半解析法和半数值法结合了经典力学问题的数学分析方法和纯数值方法，吸收了这两种方法的优点。精度高，未知量少。目前，有限条法是分析剪力墙结构的主要方法。然而，线法与解析法一样，也存在一定的局限性，主要适用于有规则形状和开口的剪力墙。

5产生裂缝原因

5.1混凝土的收缩应力过大

5.1.1外加剂

该掺合料在混凝土中掺量少，效果好。目前，减水剂、缓凝剂、早强剂、防水剂等掺合料广泛应用于混凝土中。最近的研究表明，近一半的掺合料会使混凝土的收缩量大于参比混凝土的收缩量，混凝土收缩量的增加自然会增加裂缝发生的概率。添加剂对混凝土性能有很大的影响，可能是造成混凝土开裂的重要原因。

5.1.2骨料

为满足运输和泵送的需要，采用预拌混凝土。随着细集料含量的增加，集料的表面积增大，水泥等水泥基材料包裹在集料中也相应减小，削弱了混凝土的连接能力，增加了混凝土的塑性收缩。

5.2混凝土的温度应力过大

5.2.1水泥品种

目前，预拌混凝土多采用新方法主要是回转窑)烧制。为了提高混凝土标号，硅酸盐水泥得到了广泛的应用。但是水泥的水化会产生大量的热量，且这些热量在浇筑前会释放出大部分。然而混凝土却不是导热体，他不能把产生的热量释放出去，于是混凝土内部的温度不断升高。拆模后内外会形成温度差，内部混凝土的热膨胀导致外部混凝土的压应力和拉应力。这时，当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会出现裂缝。

5.2.2拆模时间

墙模拆除时间太早，混凝土表面温度变化剧烈，导致冷却收缩，表面受到内部混凝土的约束，导致较大的拉应力。而内部混凝土温度变化相对较小，且抗压自约束产生的应力，而混凝土的早期抗拉强度和弹性模量相对较小。所以造成了剪力墙的浅部有裂缝。此外，当室外温差较大时，混凝土结构顶部和底部经常出现温度裂缝。

5.3剪力墙所受的各种约束

如果剪力墙的结构或部件不受约束的影响，自由变形就不会导致裂纹。但在实际工程中，剪力墙结构的构件是会受到各种约束的，如楼板、暗柱、端墙等。地下室侧墙受地下室屋顶和地板的约束。正式这些约束使得剪力墙不能自由变形，或者是各个部件变形的时间和速度不一样，也就导致了剪力墙出现裂缝。

6防治措施

6.1调整混凝土各组分。

采用优质水泥降低水泥用量时，尽量采用低水化热水水泥，严格控制掺合料品种和掺量，采用中砂保证石料的良好级配，严格控制砂、石的含泥量。

6.2拆模及养护。

适当延长剪力墙混凝土的拆模时间，不要立即拆模，而是先让模板开一个缝隙进行水养护，以改善混凝土养护环境，达到控制墙体裂缝的目的。特别是预拌混凝土早期水化快，水化热发展快，混合料保水性强，泌水量小。因此，在施工过程中，应特别注意加强维修环节的管理和防护措施的应用。拆模后，混凝土应尽快覆盖和养护，及时喷洒，并适当延长养护时间。这样可以减小内外温差，保证早期湿保养和后期保养的最佳效果。

6.3裂缝补强治理措施。

如果剪力墙的裂缝不能自愈，那么它们长期的存在，会对建筑的安全性，耐久性以及使用性能等方面造成一定的不良影响。对于这种情况，就必须加强管理，积极解决，以等待裂缝的发展和稳定，对不同尺寸的裂缝采取适当的处理措施。

结束语

由上文可知，虽然剪力墙模型在建筑工程中有所应用，但同时它也给建筑工程带来了一些问题。对于这些问题，相关的工作人员要从工程的现状分析，结合问题本身，制定有效的解决措施保证工程的正常施工，同时也为建筑的质量提供保证。优化剪力墙结构模型，可以有效的为建筑工程提供技术保证，对整个工程的顺利施工有一定的帮助。

参考文献

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