摘要：為了使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員能更好把握高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，以崇左市江州區(qū)地稅局1#高層住宅樓為例，針對在設(shè)計(jì)過程中考慮諸多因素，如何進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，如何科學(xué)合理布置剪力墻，如何在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算中滿足規(guī)范規(guī)定的各種控制指標(biāo)要求，如何進(jìn)行剪力墻邊緣構(gòu)件的分類和合理配筋，如何在設(shè)計(jì)中減小連梁剛度避免剪切破壞，分別給予說明。使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在今后的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中做到既安全、經(jīng)濟(jì)又合理。

關(guān)鍵詞：高層住宅;剪力墻;短肢墻;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整體性能控制指標(biāo)

慨述

近年來,隨著社會的發(fā)展和人口的城鎮(zhèn)化，以及土地越來越緊張，高層住宅大量涌現(xiàn),如何在設(shè)計(jì)過程中使結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)、合理已成當(dāng)務(wù)之急。由于目前的高層住宅的戶型平面布置大多數(shù)是建筑師依據(jù)業(yè)主的使用要求以及城市規(guī)劃的景觀立面效果要求先進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，建筑方案階段，結(jié)構(gòu)專業(yè)要先介入建筑專業(yè),運(yùn)用結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)建筑師完善建筑平面布置，以免后續(xù)的初步設(shè)計(jì)階段及施工圖設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生很多不合理之處和不必要的浪費(fèi)�，F(xiàn)以崇左市江州區(qū)地稅局1#高層住宅樓工程為例,對高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需考慮諸多因素予以闡述。

1工程概況

崇左市江州區(qū)地稅局1#高層住宅樓位于崇左市江濱路，該工程為住宅建筑，屬二類高層建筑，主體結(jié)構(gòu)地上為一梯四戶塔式建筑18層(1層為架空層，2-18層為單元住宅，層高均為3.1m)，地下負(fù)1層(層高為3.5m)為設(shè)備用房及部分摩托車、單車停放用房(非人防地下室)，建筑總高為55.8m，設(shè)計(jì)使用年限為50 年,建筑耐火等級為一級，工程總建筑面積為10841m2,東西長23.30 m,南北長31.60 m。結(jié)構(gòu)體系為剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為六度,設(shè)防類別為丙類，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。內(nèi)隔墻為190厚多孔頁巖燒結(jié)磚(業(yè)主不同意使用輕質(zhì)加氣砼自保溫節(jié)能磚)。

2.剪力墻的布置原則

2.1 因?yàn)榧袅�墻的抗�?cè)剛度大，容易滿足小震作用下高層結(jié)構(gòu)的位移限值，在高層剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻宜沿兩個(gè)主軸方向雙向布置，形成空間結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免單向布置剪力墻，幷宜使兩個(gè)方向剛度接近。一般來說，剪力墻的平面布置遵循“均勻、對稱、周邊“的原則。剪力墻數(shù)量過少，結(jié)構(gòu)的變形過大，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度不夠，反之，如果剪力墻的數(shù)量太多，抗側(cè)剛度過大，會使地震力加大，自重加大，對結(jié)構(gòu)并不利且會增加房屋建造成本造成浪費(fèi)，所以剪力墻的數(shù)量應(yīng)合理確定，使結(jié)構(gòu)具有適宜的側(cè)向剛度。

2.2剪力墻的豎向剛度應(yīng)均勻，剪力墻宜自下到上連續(xù)布置;剪力墻墻肢截面宜簡單、規(guī)則，剪力墻的門窗洞口宜上下對齊、成列布置，形成明確的墻肢和連梁，盡量避免不規(guī)則洞口布置的錯(cuò)洞墻。

2.3 近年興起的短肢剪力墻較多的剪力墻結(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。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。但在高層建筑結(jié)構(gòu)中不應(yīng)采用全部為短肢剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)，當(dāng)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)共同抵抗水平力的結(jié)構(gòu)。當(dāng)短肢剪力墻較多時(shí)(一般認(rèn)為，剪力墻結(jié)構(gòu)中的短肢剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩約占40～50%結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩，界定為短肢剪力墻較多的剪力墻結(jié)構(gòu))，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的50%。

在布置崇左市江州區(qū)地稅局1#高層住宅樓剪力墻時(shí)，由于x向受門窗洞口布置的制約，x向剪力墻墻肢較短，y向剪力墻墻肢較長，為了使x向和y向抗側(cè)剛度接近，墻肢盡量多做成帶翼緣的L形、T形等,少做“一”字形短墻。并沿建筑外圍周邊均勻分散布置，強(qiáng)化周邊，弱化中間，增強(qiáng)整體扭轉(zhuǎn)剛度。剪力墻的墻長不用沿軸線滿軸布置，滿軸布置剪力墻剛度太大，周期太短,導(dǎo)致地震效應(yīng)增大,造成不必要的材料浪費(fèi)。利用外圍周邊門窗洞口對齊，形成受力明確的墻肢和連梁，地下一層墻厚為250，1-18層墻厚為200，高厚比多數(shù)控制在8.5-9左右(即墻長在1700mm-1800mm之間)。個(gè)別墻肢長度受建筑使用的制約，形成短肢墻，高厚比在5-8左右(即墻長在1000mm-1500mm之間)。經(jīng)中國建筑科研院PKPM糸列SATWE計(jì)算結(jié)果顯示，底部短肢墻傾覆彎矩占結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩百分比(X向最大)22.216%，可判斷該剪力墻結(jié)構(gòu)為普通剪力墻結(jié)構(gòu)。

3. 剪力墻結(jié)構(gòu)的整體性能控制要求

結(jié)構(gòu)平面布置盡可能使結(jié)構(gòu)的剛度中心和質(zhì)量中心重合，以減少扭轉(zhuǎn);在進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體抗震計(jì)算分析時(shí)，結(jié)構(gòu)還需滿足<<抗規(guī)>>GB-50011-2010及<<高規(guī)>>JGJ3-2002規(guī)定的七個(gè)比例控制指標(biāo)---周期比、位移比、剪重比、側(cè)向剛度比、層間受剪承載力比、剛重比、軸壓比。

在利用PKPM建模完成對崇左市江州區(qū)地稅局1#高層住宅樓結(jié)構(gòu)平面布置(剪力墻布置及樓蓋的梁板布置)后，進(jìn)入SATWE整體結(jié)構(gòu)計(jì)算。由于業(yè)主使用上的要求，在建筑平面布置形式上該項(xiàng)目平面體形接近于工字形，為了加強(qiáng)中間薄弱的樓板，在此處加厚樓板(160mm，并雙層雙向布筋)，并定義為彈性板。由SATWE整體計(jì)算結(jié)果顯示：

(A) 剪力墻的墻肢最大軸壓比在第一層(13)軸交(T)軸L形墻肢處為0.65，該工程抗震等級為四級，為一般剪力墻結(jié)構(gòu)。雖然<<抗規(guī)>>沒有規(guī)定剪力墻結(jié)構(gòu)抗震等級為四級的軸壓比要求，但為了剪力墻結(jié)構(gòu)有較好的延性，可以參考三級軸壓比限值采用，但不要偏離太大，該項(xiàng)目軸壓比0.65能滿足要求。

(B) 周期比：Tt/T1= 1.6217/ 1.8936=0.85，滿足A級高度高層建筑不應(yīng)大于0.9的要求。

(C) 位移比：最大處，X+5% 偶然偏心地震作用下的樓層最大位移比1.22~1.24，位移角最大值為1/2955，位移比均滿足A、B級高度高層建筑均不宜大于該樓層平均值的1.2倍;且A級高度高層建筑不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍，及剪力墻結(jié)構(gòu)的位移角最大值1/1000的要求。

(D) 剪重比：X方向水平地震的樓層剪重比最小值為0.0085滿足<<抗規(guī)>>樓層最小地震剪力系數(shù)6度λ=0.008的要求。

(E) 剛重比：結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗(yàn)算，X向剛重比 EJd/GH**2= 5.25，Y向剛重比 EJd/GH**2= 6.72

該結(jié)構(gòu)剛重比EJd/GH**2大于1.4,能夠通過高規(guī)(5.4.4)的整體穩(wěn)定驗(yàn)算

該結(jié)構(gòu)剛重比EJd/GH**2大于2.7,可以不考慮重力二階效應(yīng)

(F) 層間受剪承載力比：層間受剪承載力比(在第二層)最小值為0.97，能滿足<<高規(guī)>>樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不宜小于其上一層受剪承載力80%的要求。

(G) 側(cè)向剛度比：

第1層X方向側(cè)向剛度RJX 1 = 4.2436E+06(kN/m)至第18層RJX = 4.9438E+05(kN/m)

第1層Y方向側(cè)向剛度RJY 1 = 6.0192E+06(kN/m)至第18層RJY = 6.2179E+05(kN/m)

因?yàn)榧袅�墻沿豎向高度均勻連續(xù)布置，側(cè)移剛度從下至上逐漸均勻減小，沒有形成豎向剛度突變，能滿足<<高規(guī)>>對樓層側(cè)向剛度的要求。

從此案例可知，高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)在進(jìn)行剪力墻及梁板布置后，在采用PKPM糸列SATWE軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體抗震計(jì)算分析時(shí)，需滿足《抗規(guī)》與《高規(guī)》對周期比、位移比、剪重比、側(cè)向剛度比、層間受剪承載力比、剛重比、軸壓比的要求。

4.剪力墻配筋及構(gòu)造

4.1剪力墻加強(qiáng)區(qū)高度范圍取值

在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證出現(xiàn)塑性鉸后剪力墻具有足夠的延性，提高其抗剪切破壞的能力，在底部一定的范圍內(nèi)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)構(gòu)造措施。該工程剪力墻加強(qiáng)區(qū)高度范圍，依據(jù)<<抗規(guī)>>6.1.10要求，剪力墻加強(qiáng)區(qū)高度取墻肢總高1/10及底部兩層較大值，即55.8/10=55.8m，取1-2層為加強(qiáng)區(qū)，并延伸至地下-1層。

4.2剪力墻墻身配筋

該工程剪力墻地面以上墻厚均為200 mm，水平鋼筋放在外側(cè)，豎向鋼筋放在內(nèi)側(cè)，加強(qiáng)區(qū)水平筋雙排φ10@200，豎向筋加強(qiáng)區(qū)雙排φ10@200，雙排鋼筋之間采用φ6@400×400拉筋;非加強(qiáng)區(qū)水平筋雙排φ8@200，豎向筋雙排φ10@200，,雙排鋼筋之間采用φ6@600×600拉筋。地面以下墻厚均為250 mm，地下部分外圍墻體豎向配筋φ14@150為主要受力鋼筋，水平筋φ12@150，地下部分墻體配筋大多由水壓力、土壓力產(chǎn)生的側(cè)壓力控制，簡化計(jì)算后由豎向筋控制;為增大計(jì)算墻體的有效高度，可將地下部分墻體的水平筋放在內(nèi)側(cè),豎向鋼筋放在外側(cè)。

4.3 剪力墻邊緣構(gòu)件的設(shè)置

剪力墻在軸向壓力和水平力作用下，在墻肢邊緣應(yīng)力較大，在該部位用端部豎向縱筋和箍筋組成的暗柱或明柱，稱為邊緣構(gòu)件。邊緣構(gòu)件內(nèi)的砼是約束砼，它是提高墻肢端部砼極限壓應(yīng)變、改善剪力墻延性的重要措施。試驗(yàn)研究表明,鋼筋混凝土設(shè)置邊緣構(gòu)件后與不設(shè)邊緣構(gòu)件的矩形截面剪力墻相比，其極限承載力提高約40%，耗能能力增大20%，且增加了墻體的穩(wěn)定性，因此一般抗震等級為一、二級抗震設(shè)計(jì)的剪力墻底部加強(qiáng)部位及其上一層的墻肢端部應(yīng)設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，抗震等級為一、二級的其它部位及抗震等級為三級、四級、非抗震設(shè)計(jì)的剪力墻的墻肢端部應(yīng)設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件。

一、二級的剪力墻底部加強(qiáng)部位及其上一層的墻肢端部，其約束邊緣構(gòu)件的縱向鋼筋配筋最小截面積及約束邊緣構(gòu)件沿墻肢方向Lc和箍筋配箍特征值λv按《高規(guī)》第7.1.16條規(guī)定。

一、二級剪力墻的其它部位及三級、四級抗震設(shè)計(jì)、非抗震設(shè)計(jì)的剪力墻的墻肢端部構(gòu)造邊緣構(gòu)件的縱向鋼筋配筋最小截面積及箍筋配箍要求按《高規(guī)》第7.1.17規(guī)定。

對剪力墻的配筋應(yīng)區(qū)分剪力墻的受力特性及類別，即普通剪力墻(長墻)、短肢剪力墻較多的短肢剪力墻、小墻肢應(yīng)區(qū)別對待。對于普通剪力墻，其約束邊緣構(gòu)件配筋滿足規(guī)范要求的最小配筋率;對于短肢剪力墻較多的短肢剪力墻，應(yīng)按《高規(guī)》第7.1.2條控制配筋率加強(qiáng)區(qū)1.2%，一般部位1.0%。對于小墻肢(高厚比小于5)其受力性能較差，應(yīng)嚴(yán)格按《高規(guī)》控制其軸壓比，宜按框架柱進(jìn)行截面設(shè)計(jì)，并應(yīng)控制其縱向鋼筋配筋率加強(qiáng)區(qū)1.2%,一般部位1.0%。

該工程抗震等級為四級，為一般剪力墻結(jié)構(gòu)，個(gè)別短肢剪力墻抗震等級亦按四級，-1層及上部1-18層均設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件;-1層，第1層, 第2層為剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)，個(gè)別縱筋最大直徑為φ14，絕大部分縱筋直徑為φ12，加強(qiáng)區(qū)構(gòu)造邊緣構(gòu)件配筋率最大為0.84%，最小為0.53%，3-18層構(gòu)造邊緣構(gòu)件縱筋配筋率普遍在0.53%～0.58%之間。

4.4剪力墻的連梁

按照延性剪力墻強(qiáng)墻弱梁要求，連梁屈服應(yīng)先于墻肢屈服，即連梁形成塑性鉸耗散地震能量;連梁應(yīng)當(dāng)強(qiáng)剪弱彎，避免剪切破壞。在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通過折減連梁的剛度來減小連梁的彎矩值和剪力值，折減系數(shù)不小于0.5，以保證連梁有足夠的承受豎向荷載的能力。剪力墻中的連梁跨度小，截面高度大，在地震作用下彎矩、剪力很大,有時(shí)很難進(jìn)行設(shè)計(jì)。如果加大連梁高度,配筋值有時(shí)反而更大;減小連梁高度，可降低連梁的剛度，連梁高度一般是從洞頂算到上一層洞底或從洞頂算到樓面標(biāo)高，對于外圍周邊窗洞，連梁高度從窗頂取至樓面，樓面至窗臺部分可用輕質(zhì)材料砌筑。連梁配筋應(yīng)對稱配置,腰筋同墻體水平筋，箍筋全長加密。

該工程連梁截面為200×400 ,200x600，大部分連梁縱筋為上下各2φ16,箍筋為φ8@100。

5結(jié)語

高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)呈多樣化的趨勢,如何做到安全、經(jīng)濟(jì)、合理需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員通過充分運(yùn)用概念設(shè)計(jì)把握結(jié)構(gòu)的整體性,科學(xué)布置剪力墻，并充分發(fā)揮剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能，作出既安全又經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)。

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