高层建筑短肢剪力墙结构设计探析

蒋芝云

深圳壹创国际设计股份有限公司 518000

摘要：钢筋混凝土短肢剪力墙结构是一种新型的中高层住宅结构体系。它在中国得到了广泛的应用。为了扩大其在高层建筑中的应用范围，研究了改善这种结构体系抗震性能的新方法。对钢骨高强混凝土短肢剪力墙的承载力和抗震性能进行了试验和数值研究。结果表明，随着受压混凝土的破坏和预应力钢筋的屈服，SRHC短肢剪力墙呈现出弯曲破坏模式。SRHC短肢剪力墙的承载能力大大提高。试件的延性系数在3.62ー4.35之间，与普通钢筋混凝土短肢剪力墙相当。钢板骨架试件在位移延性和耗能方面比钢桁架骨架试件具有更好的延性。结果还表明，降低压缩比可以提高延性。高强混凝土可以显著提高SRHC短肢剪力墙的承载力，但由于高强混凝土的固有脆性，其延性随着混凝土强度的提高而降低。

关键词：高层建筑短肢剪力墙结构设计

引言

传统的剪力墙结构虽然具有良好的抗震性能和较大的适用高度，但空间小、不灵活、重量大、建筑功能差、造成材料浪费、经济效益差。武汉自2001年设计建造世界上第一座短肢剪力墙高层建筑以来，短肢剪力墙结构体系在我国已经取得了长足的发展。短肢剪力墙结构体系(JGJ3-2002,2002)是结构设计技术创新与建筑功能优化开发相结合的产物。短肢剪力墙结构体系消除了剪力墙肢体过长造成的材料浪费，避免了剪力墙肢体过短造成的安全隐患。该系统将平面结构类型统一起来，形成平面结构类型。使施工方便，桩帽及其它基本构件尺寸均匀，形成模块化结构设计与施工，提高了生产的经济效益。

1. 
   

2. 高层建筑短肢剪力墙结构设计概述

1. 
   
   1. 
      

   2. 设计原则分析

各种施工要素的类型和大小，在设计和建筑中造成混乱，增加了施工成本和周期。短肢剪力墙结构形式应统一为T、L、交叉、∏、线等，尺寸统一，施工方便。各种结构型式的剖面取决于建筑功能和位置约束。线型短肢剪力墙平面上不宜设置楼板梁。截面高度较大的剪力墙应尽可能设置在与结构短轴平行的方向上，使结构的刚度与x轴和y轴的刚度有细微差别。实际计算结果表明，即使这样计算，结构在地震荷载作用下的长方向刚度远比短方向刚度小得多，即长方向刚度变大。在设计过程中，我们可以采用短肢剪力墙来加强结构刚度，形成短肢剪力墙筒体结构，如图1所示。应控制短肢剪力墙的轴压比、纵筋配筋率和箍筋体积百分比，满足计算要求和标准要求。

图1短肢剪力墙筒体结构

1. 
   
   2. 
      

   3. 结构设计计算模型及原理

在正常使用条件下，结构应具有足够的刚度，避免过大的位移反过来影响结构的承载能力、稳定性和使用要求。在抗震设计中，结构性能指标的选择和性能等级的划分是以层间位移的极限值为基础的。在水平荷载作用下，高层建筑结构层漂移包括剪力漂移和弯曲漂移。剪力墙结构的侧向弯曲曲线类型为整体弯曲，楼层漂移主要为弯曲变形。由于下部楼板刚体转动的位移会影响上部楼板的位移计算，在实际工程设计中应消除刚体转动位移对楼板的影响，选择与剪力墙结构性能指标相同的性能参数。水平荷载作用下楼层的侧向位移主要由三部分组成:整个楼层的侧向变形又称平移位移，整个结构的弯曲变形引起的侧向位移又称旋转位移和基本旋转位移。因此，在竖向荷载作用下，层间剪力引起的侧向变形、水平荷载引起的倾覆弯矩引起的平动位移以及基础变形引起的整个刚体转动引起的基本转动位移，与水平荷载引起的变形和水平荷载引起的基本转动位移无关，对结构的二阶效应的重力有很大的影响。两个短肢剪力墙通过安装在连杆上的一系列连梁连接。在连续连杆法变形条件(鲍，1990)的基础上建立力学方程，即使公式比较复杂，也可以得到峰值位移。

2. 
   

3. 计算模型和形变约束

2.1破坏性的层漂移和刚体位移

在高层建筑结构设计中，结构的侧向位移和变形控制至关重要。正常情况下，结构应具有足够的刚度，以避免过大的位移影响结构的承载力、稳定性和使用要求。规范JGJ3-2002采用位移角(相对层位移比)作为层间构件的变形控制参数，给出了小震和大震作用下抗震结构漂移角的允许弹性和弹塑性值(JGJ3-2002,2002)。因此，通常采用楼层位移差和层高比来计算相对楼层位移比。侧移计算方法适用于整体剪切变形，而剪力墙结构以弯曲变形为主，会产生较大的误差。剪力墙结构的侧向弯曲曲线类型为整体弯曲,夹层变形主要是弯曲变形。由于下部楼板刚体转动的位移会影响上部楼板的位移计算，如何消除刚体转动位移对楼板的影响，如何在实际工程设计中选择与剪力墙结构性能指标相同的性能参数，是抗震设计中需要解决的问题。结构构件变形破坏的直接原因是层间构件应变引起的剪切位移和弯曲转动位移，称为破坏性层间位移。由两个位移组合而成的位移使人感到不舒服。剪力墙结构以整体弯曲变形为主，剪切位移占较小比例，弯曲转动位移沿结构高度逐层累积。这种旋转位移对这一层的组成部分既是一个破坏性的漂移和一个无害的漂移上层。

如果忽略整体剪切变形，则可以认为水平荷载作用下的层间总位移是由旋转位移引起的，包括下一层楼板旋转引起的刚体位移和楼板构件弯曲引起的有害位移。应力状态能够反映上层的受力情况，必须排除楼层名义相对位移刚体转动位移的影响。分析表明，在风荷载作用下，58层楼的层间位移角仅占标称层间位移角的1%，其层间位移远远超过标准限值，但由于层间位移角极小，支承构件不仅满足承载力和刚度要求，而且不会出现应力裂缝，其较大的刚性位移也不会影响非结构构件的正常使用，如装饰等。剪力墙结构底部出现破坏和塑性铰的原因是结构构件的破坏层位移自下而上逐渐减小。因此，规范要求承受较大应力的剪力墙底部进行加固。

2.2短肢剪力墙结构位移解

根据剪力墙结构的侧移模式，采用等截面悬臂单元的弯曲变形曲线作为水平地震作用下的近似侧移曲线。沿墙高任意截面的弯矩如下:

3. 
   

4. 计算实例分析

本文研究的工程建筑长50.5m，宽15.9m，层高2.9m，总高58m，以纵向长度方向为折线，是世界上第一个设计和完工的短肢剪力墙结构。由于其独特的设计(2000年)和完成，短肢剪力墙的新结构体系可以建立。首先确定设计原则，规范要求每一个剪力墙都要进行拉伸，其压力由弯矩控制，但墙肢长度要比壁厚大三倍(JGJ3-91,1991)。当纵向剪力墙很长时，可分为若干墙段，墙段由弱耦合梁连接，墙端截面长度比厚度大三倍。另外，考虑异形柱截面墙肢高厚比不宜大于4。本工程为高层建筑剪力墙工程，其要求应比异形柱严格，而且属于新型结构形式。我们将使用至少两个计算软件，主要根据整个结构计算理论进行计算，所有的设计必须满足计算要求。当时，规范对短肢剪力墙的计算模型、合理的建筑物最高高度、范围、结构措施及抗震性能均没有规定。因此，在设计中，轴向压缩比的要求应比框架柱的要求严格。轴向压缩比影响轴向刚度。剪切刚度的变化与轴向刚度(李等人，2002年)有一个直接的影响侧向承载力。

本设计以GBJ11-89、JGJ3-91等为基础，采用全身表面积计算程序进行计算。结构体系由剪力墙组成，竖向承载构件由短肢剪力墙组成，抗震设防烈度为7度。在风荷载作用下，长度较大的建筑物由于风的不均匀性和无序变化，会出现结构扭转、楼板弯曲等现象。为了避免楼板变形引起的复杂受力情况，应尽可能通过水平方向和垂直方向拉伸框架梁。由于较短边缘线型平面的侧向刚度较差，不仅水平荷载作用下的侧向变形会增大，而且沿平面房屋长度方向的各点变形也不均匀。沿短轴方向，当长周期叠加产生短周期振动(如0.37s)时，在某一点会出现反相振动，使应力复杂化，楼板易产生扭矩和弯矩破坏。为了增加结构的短周期振动以提高其横向刚度和稳定性，这种结构尺寸成为一个折叠板。如前所述，转动惯量与顶点位移成反比，与抗弯承载力成正比;。在同等的材料条件下，设计应该有效地增加转动惯量。

短肢剪力墙截面型式规范化有利于建筑布局、门窗、人行道、卫生间、楼梯位置等，可灵活选择不同截面型式，充分发挥建筑功能。例如，在两个门模型的阳台交叉处可选择T型，轴距为3.6m，阳台门宽为2.1m，与T型短肢剪力墙交叉处采用紧凑一致的连接方式，提供了很大的结构刚度。根据计算要求确定其配筋量，同时满足要求的最小配筋率。由于截面小，也应满足框架柱的抗震要求，纵向力加固间距不宜大于200mm，箍筋应满足最小箍筋体积百分比。整个截面应作为剪力墙端部的加固处理，但中心区域不作为普通的剪力体加固处理，如图2所示。L型钢筋应位于外墙连接处或墙角处等处，线型钢筋应位于内部直通处，避免翼缘阻碍建筑功能，并尽可能少地应用，其抗震性能与T型钢筋结构相似。

图2T短肢剪力墙加固施工

短肢剪力墙结构形式有直线型、L型和T型，它们分别拥有仅有1个、1和2个主截面高度，而且它们的主截面高度(共享截面高度)相同。L型剪力墙翼缘太短，只计算有一个主要的截面高度。线型主截面高度与x轴方向平行，因此方向侧向刚度较大。因此，主截面高度平行于x轴方向的短肢剪力墙的数量决定了x轴方向侧向刚度的大小，y轴方向的短肢剪力墙也是如此。在设计中应注意调整x、y轴向刚度比，利用主截面高度和单位长度内短肢剪力墙的数量来确定比值，即用NX/B或NY/L。B和L分别为修正宽度和修正长度。在本工程中，NX/B=35/22.4=1.56，两个轴向刚度基本相同，结构布置合理。由于主断面高度相同，基桩承台尺寸统一，如图3所示。

图3L型短肢剪力墙与承台连接图

4. 
   

5. 小结

综上所述，在结构设计中，应使短肢剪力墙体系的各构件统一建模，便于施工，提高经济效益。短肢剪力墙刚度的合理确定和主截面高度的设置对结构周期和水平位移影响较大，反映了结构设计的优点。此外，控制结构的水平位移，尤其是有害的相对层位移和有害的顶点位移，是结构承载力和稳定性、使用要求和设计合理性的重要前提。剪力墙结构的侧向位移模式以短肢剪力墙截面为非等截面悬臂杆件，其转动惯量计算往往不准确，因此需要考虑各种因素，如结构高宽比、结构体型等，才能使计算准确，更加接近结构实际受力情况。

参考文献：

[1]付法君.探析短肢剪力墙结构在高层建筑中的特点和应用[J].中外企业家,2019,(30):98.

[2]周建民.短肢剪力墙结构在高层建筑中的特点和应用探析[J].科技视界,2018,(34):238-239.

[3]罗昆.探析高层建筑结构设计的问题及对策[J].建材与装饰,2018,(39):127-128.

[4]袁江满.小高层建筑中短肢剪力墙结构设计浅析之我见[J].居舍,2018,(11):67.

[5]李兴甲.高层建筑短肢剪力墙结构设计探讨[J].建材与装饰,2017,(49):97.