摘要:剪力墻結(jié)構(gòu)作為高層建筑中的主要結(jié)構(gòu)形式,被廣泛運(yùn)用于現(xiàn)代高層建筑。但目前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中,對剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些細(xì)節(jié)問題并沒有明確的規(guī)定,設(shè)計(jì)人員不易把握。筆者結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)踐,對剪力墻的平面布置,墻肢與平面外樓面梁的連接,樓面主梁與連梁的連接,剪力墻厚度的合理取值,剪力墻角窗的處理及連梁超限等問題,提出了一些自己的看法,并進(jìn)行了深入的探討。
關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);高層;剪力墻;平面布置;連梁;墻厚;角窗
剪力墻結(jié)構(gòu)由于其不但具有良好的受力性能,而且還能很好地滿足建筑功能的實(shí)現(xiàn),因此其在現(xiàn)代高層住宅中得到了非常廣泛的應(yīng)用。本人在從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)踐中,參加了不少高層剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作,有了自己的一點(diǎn)心得體會(huì),現(xiàn)就剪力墻設(shè)計(jì)工作中經(jīng)常遇到的一些問題,本著不斷改進(jìn)自身的設(shè)計(jì)水平的愿望,淺談一下自己的一些看法。
剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻布置應(yīng)遵從以下幾條原則:
1. 剪力墻結(jié)構(gòu)中全部豎向力和水平力均由剪力墻承受,這就必然要求剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的空間工作性能,墻體應(yīng)雙向或多向布置,各榀剪力墻也應(yīng)盡量拉通對直,形成對承受豎向荷載有利、抗側(cè)力剛度大的平面和豎向布局。在抗震結(jié)構(gòu)中,應(yīng)避免僅單向有墻的結(jié)構(gòu)布置形式,并宜使結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向上的抗側(cè)剛度接近,而衡量兩個(gè)方向上的剛度是否接近,可以參考電算結(jié)果中兩個(gè)方向的第一振型的周期和樓層層間位移與層高之比是否接近。墻肢截面也宜簡單、規(guī)則。
2. 剪力墻的抗側(cè)剛度和承載力均較大,為了充分利用剪力墻的承載力和剛度,剪力墻宜采用大開間布置,間距要盡可能做大些,這不但可以使建筑功能具有較大的使用空間,也可減輕結(jié)構(gòu)自身重量,產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。剪力墻應(yīng)均勻、分散布置,使結(jié)構(gòu)具有適宜的抗側(cè)剛度即可。
3. 剪力墻沿豎向應(yīng)貫通建筑物全高,避免在豎向出現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度突變,但根據(jù)結(jié)構(gòu)受力情況,可以沿高度改變墻厚和混凝土等級(jí),但宜錯(cuò)開樓層,使結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度逐漸減小,避免各層剛度突變,造成應(yīng)力集中。
4. 抗震設(shè)計(jì)的剪力墻應(yīng)設(shè)計(jì)成彎曲破壞的延性剪力墻,而高寬比大于2的細(xì)高剪力墻容易實(shí)現(xiàn)這一要求。因此,當(dāng)剪力墻較長時(shí),可以通過開設(shè)洞口,將其分成長度較短、較均勻的獨(dú)立墻段,每個(gè)墻段滿足高寬比大于2,而分隔墻段的洞口連梁宜采用約束彎矩較小的弱連梁(其跨高比宜大于6)連接。此外,墻段長度較小時(shí),受彎產(chǎn)生的裂縫寬度也較小,墻體的配筋能夠充分地發(fā)揮作用。剪力墻段的長度不宜大于8m,當(dāng)墻肢長度超過8m時(shí),應(yīng)采用施工時(shí)墻上留洞,完工時(shí)砌填充墻的結(jié)構(gòu)洞方法,把長墻肢分成短墻肢,或僅在計(jì)算簡圖開洞處理。
剪力墻結(jié)構(gòu)在平面內(nèi)具有非常好的剛度和承載能力,但是平面外則相對很弱,所以要盡量避免與墻體垂直方向的彎矩。但當(dāng)剪力墻和平面外方向的梁連接時(shí)會(huì)產(chǎn)生墻肢平面外彎曲,而目前常用的結(jié)構(gòu)軟件并不會(huì)驗(yàn)算墻肢平面外的剛度和承載力,容易造成較大的安全隱患。
樓面大梁與剪力墻墻肢平面垂直相交或斜向相交時(shí),較大的梁端彎矩對墻肢平面外產(chǎn)生不利彎矩,而當(dāng)梁高大于2倍墻厚時(shí),梁端彎矩影響墻肢平面外的安全,必須采取措施,控制剪力墻平面外彎矩。
1. 目前采取的加強(qiáng)剪力墻平面外剛度和承載力的主要措施:
⑴.設(shè)置梁軸線方向與梁相連的剪力墻,抵抗該墻肢平面外彎矩。
⑵.當(dāng)不能設(shè)置沿梁軸線方向的剪力墻時(shí),宜在墻與梁相交處設(shè)置扶壁柱,扶壁柱宜按計(jì)算確定截面及配筋。
⑶.當(dāng)不能設(shè)置扶壁柱時(shí),應(yīng)在墻與梁相交處設(shè)置暗柱,暗柱寬度可取梁寬加兩倍墻厚,并宜按計(jì)算確定配筋。
⑷.必要時(shí),剪力墻內(nèi)可設(shè)置型鋼。
2. 除了增大剪力墻平面外的抗彎剛度和承載力以外,還可以采取其他一些加強(qiáng)措施,比較常用的就是減小梁端的彎矩:
⑴.樓面梁與剪力墻相交處可設(shè)計(jì)成鉸接或半鋼接。
梁與墻的連接有兩種情況;
當(dāng)梁與墻在同一平面內(nèi)連接時(shí),基本為剛接,梁的縱向鋼筋在墻內(nèi)的錨固長度同框架梁縱向鋼筋在框架柱內(nèi)的錨固長度。
當(dāng)梁與墻不在同一平面內(nèi)連接時(shí),梁與剪力墻連接處其縱向鋼筋宜用較小的直徑。當(dāng)樓層梁端按剛接計(jì)算時(shí),支座上部縱向受力鋼筋伸入墻對邊的水平投影長度應(yīng)同框架梁,不應(yīng)小于0.4Lae,否則無法可靠錨固,只能按鉸接或半剛接支座考慮。而能否假定梁端為鉸接,也與墻、梁截面的相對剛度有關(guān)。鉸接考慮時(shí),梁端能減少對剪力墻平面外受力的不利影響。無論樓面梁與剪力墻如何連接,梁內(nèi)縱向鋼筋均應(yīng)伸入墻內(nèi)并可靠錨固。如果計(jì)算時(shí)假定樓面梁與墻相交的節(jié)點(diǎn)為鉸接,則無法避免梁端裂縫,但應(yīng)采取措施使裂縫的寬帶符合規(guī)范的要求。
當(dāng)樓層梁端的墻體厚度能滿足支座上部縱向鋼筋水平投影長0.4Lae的要求時(shí),樓層梁端可以設(shè)計(jì)成剛接。但因?yàn)槟壳敖Y(jié)構(gòu)軟件還不能計(jì)算剪力墻平面外的受力,故必須手算或用其他方法補(bǔ)充計(jì)算梁端彎矩對剪力墻平面外偏心受壓的內(nèi)力及配筋。
⑵.通過調(diào)幅減小梁端彎矩。
在進(jìn)行調(diào)幅前,應(yīng)先充分考慮到構(gòu)件的剛度和內(nèi)力重分布、裂縫的開展及變形能滿足使用要求,梁出現(xiàn)裂縫后不會(huì)引起其他不利影響,此時(shí)再進(jìn)行調(diào)幅,并相應(yīng)增大梁跨中彎矩。通過調(diào)幅降低梁端彎矩后,梁端達(dá)到其設(shè)計(jì)彎矩會(huì)首先開裂,而墻便不會(huì)開裂。
⑶.變截面梁。
將與剪力墻相交一端的梁截面適當(dāng)減小,做成變截面梁,也可相應(yīng)減小梁端彎矩,減輕對剪力墻平面外受力的不利影響。
總之,就減小梁端彎矩的措施而言,各有其利弊,故結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況靈活運(yùn)用,并相應(yīng)采取必要的加強(qiáng)措施。
剪力墻結(jié)構(gòu)中的連梁是增大結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)力剛度,
地震作用時(shí)耗能的重要構(gòu)件,其主要承受剪力,容易形成剪切破環(huán),與剪力墻相比,其平面外的抗彎剛度和承載力均更弱,《高層建筑規(guī)程》第7.1.10條規(guī)定不宜將樓面主梁支承在剪力墻之間的連梁上。
因?yàn),一方面連梁平面外的抗彎剛度很弱,達(dá)不到約束主梁端部的要求,連梁也沒有足夠的抗扭剛度去抵抗平面外的彎矩;另一方面,樓面主梁支承在連梁上,不但會(huì)造成結(jié)構(gòu)傳遞地震作用力的不暢,而且對連梁也很不利,連梁本身剪切變形較大,容易出現(xiàn)斜裂縫,樓面主梁的支承,使得框架梁端的彎矩轉(zhuǎn)化為連梁的扭矩,加大了連梁的面外負(fù)擔(dān),使連梁在較大的地震發(fā)生時(shí),很難避免會(huì)產(chǎn)生脆性的剪切破壞。
因此應(yīng)當(dāng)盡量避免將樓面主梁支承在剪力墻連梁上,當(dāng)不可避免時(shí),應(yīng)按簡支梁校核連梁的截面承載力。1. 連梁為剪力墻結(jié)構(gòu)的主要延性構(gòu)件。小震彈性工作狀態(tài)時(shí),依靠其抗剪強(qiáng)度提供的約束彎矩使墻體具有較大的抗側(cè)剛度,大震時(shí)依靠其屈服耗能增加墻體的變形能力,程序計(jì)算中常對連梁剛度折減,因此連梁一般不宜承擔(dān)較多的豎向荷載。2. 大震連梁破壞時(shí),不會(huì)因連梁退出工作而引發(fā)大面積的垮塌。
除了補(bǔ)充計(jì)算和校核外,還應(yīng)采取其他一些可靠的加強(qiáng)措施,如在連梁內(nèi)配置交叉斜筋或交叉暗撐,或采用鋼板混凝土連梁,型鋼混凝土連梁,等等。
當(dāng)樓面次梁支承在剪力墻連梁或框架上時(shí),次梁端部宜按鉸接設(shè)計(jì),并按規(guī)范規(guī)定,在連梁或框架梁內(nèi)配置足夠的縱向抗扭鋼筋和箍筋。
《高規(guī)》7.2.2條規(guī)定,當(dāng)剪力墻墻厚不滿足該條第1~3條要求時(shí),在不增加墻厚的情況下,應(yīng)按《高規(guī)》附錄D計(jì)算墻體的穩(wěn)定性。
結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)當(dāng)注意的是,并不是在任何情況下只要求剪力墻墻肢的截面厚度僅滿足《高規(guī)》附錄D的穩(wěn)定計(jì)算要求就可以了,還應(yīng)考慮剪力墻所處的位置及其重要性,因?yàn)閴竦南拗剖菫榱朔乐挂驂w平面外剛度過小,穩(wěn)定性差,容易在偏心荷載作用下壓屈失穩(wěn),也便于施工。
對于剪力墻結(jié)構(gòu)中的一般剪力墻墻段的厚度可按穩(wěn)定計(jì)算確定;但對于剪力墻底部的加強(qiáng)部位,對于一字形的內(nèi)剪力墻、轉(zhuǎn)角窗相鄰?fù)鈮、一字形的外墻,由于這些部位的重要性和受力的復(fù)雜性,確定這些部位的墻肢截面厚度時(shí),宜按高規(guī)7.2.2 條1,2,3 款的規(guī)定,尤其一字形外墻及轉(zhuǎn)角窗相鄰墻,僅一側(cè)有樓板,雖樓板按簡支考慮但實(shí)際存在彎矩,上下墻變厚度或施工誤差也可能產(chǎn)生彎矩,但是墻計(jì)算只驗(yàn)算平面內(nèi)的內(nèi)力,而不考慮平面外彎矩,存在安全隱患。如按《高規(guī)》附錄D穩(wěn)定計(jì)算時(shí),應(yīng)將計(jì)算結(jié)果適當(dāng)加大,使這些部位墻肢截面的厚度接近《高規(guī)》要求的最小厚度。
在剪力墻結(jié)構(gòu)外墻角部開設(shè)角窗,必然會(huì)破壞墻體的連續(xù)性和封閉性,使地震作用無法可靠傳遞,給結(jié)構(gòu)的抗震安全造成隱患;同時(shí)在剪力墻結(jié)構(gòu)外墻角部開設(shè)角窗,也會(huì)降低結(jié)構(gòu)的整體剛度,特別是削弱了抗扭剛度較大的轉(zhuǎn)角墻,降低了結(jié)構(gòu)整體的抗扭剛度。所以,在地震區(qū),特別是在高烈度地震區(qū),應(yīng)盡量避免在剪力墻結(jié)構(gòu)外墻角部開設(shè)角窗。
但在實(shí)際工程中,在抗震設(shè)防烈度為8度和8度以下的地震區(qū),在剪力墻結(jié)構(gòu)的外墻角部開設(shè)角窗的工程項(xiàng)目是比較普遍的,故結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)置角窗時(shí)必須采取必要的加強(qiáng)措施。
在剪力墻結(jié)構(gòu)外墻角部開設(shè)角窗時(shí),應(yīng)進(jìn)行專門研究,并采取下列措施:
1. 角窗洞口應(yīng)上下對齊,寬度不應(yīng)過大,高度也應(yīng)在滿足建筑功能的前提下盡可能。贿B梁不宜過小。
2. 宜加強(qiáng)角窗窗臺(tái)連梁的配筋與構(gòu)造。
⑴.連梁上下配筋應(yīng)予加強(qiáng),上筋在墻體內(nèi)應(yīng)有一定的延伸長度,一般向內(nèi)延伸轉(zhuǎn)角窗長度的1.2~1.5倍以上,在相鄰墻體內(nèi)形成暗梁,若為短肢剪力墻則應(yīng)延伸至內(nèi)跨梁。
⑵.在連梁梁肋兩側(cè)須配置足夠數(shù)量的抗扭腰筋,其規(guī)格同墻體水平分布筋,其主要抵抗因交叉而對連梁產(chǎn)生的扭矩以及因結(jié)構(gòu)平面周邊扭轉(zhuǎn)應(yīng)力對連梁產(chǎn)生的側(cè)向彎矩,并可防止連梁因內(nèi)外溫差而產(chǎn)生的側(cè)向裂縫。
3. 角窗洞口附近應(yīng)避免采用短肢剪力墻和單片剪力墻,宜采用T形,L形,[形等截面形式的墻體,并盡量使墻體長度在2m以上,墻厚宜適當(dāng)加大,不宜小于250mm。對角窗處墻體,應(yīng)在滿足計(jì)算結(jié)果的前提下適當(dāng)加大配筋,對短肢剪力墻應(yīng)按柱配筋。洞邊暗柱應(yīng)沿全高按約束邊緣構(gòu)件設(shè)置,并加強(qiáng)配筋。
4. 宜加強(qiáng)轉(zhuǎn)角處樓板的配筋與構(gòu)造。
⑴.由于轉(zhuǎn)角處樓板沒有豎向約束,只有懸挑梁的弱約束,故應(yīng)將樓板厚度加大,一般應(yīng)加大至150mm以上,并配置雙層雙向鋼筋。
⑵.在樓板內(nèi)剪力墻約束構(gòu)件之間設(shè)置一道斜向拉結(jié)暗梁,既可加強(qiáng)板邊約束,又可使偏心產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力通過暗梁直接傳至剪力墻,減小角部板內(nèi)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。拉結(jié)暗梁寬一般取500mm,上下各設(shè)4Φ16加強(qiáng)鋼筋,并可靠錨入墻兩側(cè)約束構(gòu)件內(nèi),箍筋宜配Φ10@100。
5. 宜提高角窗兩側(cè)墻肢的抗震等級(jí),并按提高后的抗震等級(jí)來滿足軸壓比限值的要求。
6. 抗震計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的影響。
7. 角窗連梁計(jì)算模型輸入時(shí),應(yīng)按框架梁考慮,并按雙懸挑計(jì)算。
剪力墻連梁對剪切變形非常敏感!陡咭(guī)》對其剪力設(shè)計(jì)值控制得比較嚴(yán)格,因此,在抗震設(shè)計(jì)時(shí),連梁經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)超限現(xiàn)象。究其原因,所謂超限,主要是指連梁的截面尺寸不滿足《高規(guī)》第7.2.23條的要求,即剪壓比超限或剪力超限。而當(dāng)連梁截面不滿足抗剪驗(yàn)算要球時(shí),我們可采取以下一些措施:
1. 減小連梁截面高度或增加連梁的跨度。當(dāng)連梁剪力設(shè)計(jì)值超過限值時(shí),加大截面高度只會(huì)增加連梁剛度,吸引更多的剪力,反而對連梁不利。減小連梁截面高度或者加厚連梁截面寬度則比較有效,但加大連梁截面寬度受到兩側(cè)墻體厚度的限制,一般較難實(shí)現(xiàn)。減小連梁截面高度則相對容易實(shí)施,減少連梁截面高度后,加高的剪力墻洞口可以通過增設(shè)過梁和填充輕質(zhì)墻來調(diào)整。同樣,增加連梁的跨度也可以減少連梁的剛度,達(dá)到同樣的目的。
2. 在連梁截面高度的中間部位設(shè)置水平縫,將一根連梁均分成上下兩根小連梁,模型整體計(jì)算時(shí),連梁高度按設(shè)縫后小連梁的高度輸入,連梁寬度則按原來連梁寬度的2倍輸入。兩根小連梁的配筋應(yīng)相同,縱向鋼筋和箍筋均不應(yīng)小于整體計(jì)算結(jié)果輸出的配筋面積的一半。上下連梁間的水平縫可用輕質(zhì)材料填充,但水平縫的位置應(yīng)避開與樓板的連接部位,保障結(jié)構(gòu)的整體性。
3. 對抗震設(shè)計(jì)的剪力墻連梁的彎矩和剪力進(jìn)行塑性調(diào)幅,以降低其剪力設(shè)計(jì)值,但調(diào)整的幅度不宜大于20%,且必須滿足強(qiáng)剪弱彎的要求。
在整體計(jì)算時(shí)已降低了剛度的連梁,再對其進(jìn)行塑性調(diào)幅的范圍應(yīng)當(dāng)限制或不再繼續(xù)調(diào)幅。當(dāng)部分連梁降低彎矩設(shè)計(jì)值后,在符合平衡條件下,按內(nèi)力重分布的方法調(diào)整與其相關(guān)的剪力墻和連梁的彎矩設(shè)計(jì)值。
無論用什么方法,連梁調(diào)幅后的彎矩和剪力設(shè)計(jì)值均不應(yīng)低于正常使用狀態(tài)下的值,也不宜低于比設(shè)防烈度低一度的地震作用組合彎矩和剪力設(shè)計(jì)值,這主要是為了避免在正常使用條件下或較小的地震作用下,連梁出現(xiàn)規(guī)范不允許的裂縫,影響結(jié)構(gòu)的正常使用。
4. 提高混凝土等級(jí);炷恋燃(jí)提高后,結(jié)構(gòu)的地震作用影響增加的比例遠(yuǎn)小于混凝土受剪承載力提高的比例,有可能使連梁的受剪承載力不超限。
5. 當(dāng)少數(shù)超限連梁不作為次梁的支撐梁時(shí),其破壞對結(jié)構(gòu)承受豎向荷載無明顯影響,可考慮在大震作用下,讓該連梁退出工作,剪力墻按獨(dú)立墻肢進(jìn)行第二次多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析,此時(shí)若結(jié)構(gòu)整體位移仍能滿足規(guī)范的要求時(shí),墻肢可按兩次計(jì)算所得的較大內(nèi)力進(jìn)行配筋計(jì)算。
超限連梁的箍筋可按截面受剪限制條件(剪壓比)計(jì)算確定,其縱向鋼筋則按斜截面受剪承載力反算求得。
連梁超限時(shí),應(yīng)首先采取第1~4條措施,當(dāng)?shù)?~4條措施不能解決問題時(shí),可采用第5條措施,即假定超限連梁在大震下破壞,不能再繼續(xù)約束墻肢,此時(shí)可考慮超限連梁不參加工作,而按獨(dú)立墻肢進(jìn)行多遇地震作用下的第二次結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析。在這種情況下,剪力墻的剛度降低,位移增大,墻肢的內(nèi)力和配筋也應(yīng)增大,以保證墻肢的安全。
6. 在實(shí)際工作中,假定超限連梁在大震作用下破壞而退出工作,結(jié)構(gòu)進(jìn)行第二次多遇地震作用下的內(nèi)力分析,可近似采用以下幾種方法:
⑴. 超限連梁點(diǎn)鉸,使超限連梁作為兩端鉸接梁進(jìn)入結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力分析計(jì)算。一般情況下,連梁鉸接處理后,墻肢的計(jì)算結(jié)果會(huì)較大,以保證墻肢的安全。
⑵. 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí),可在STAWE中將超限連梁的截面高度按小于300mm輸入,STAWE軟件在計(jì)算內(nèi)力時(shí)會(huì)忽略該梁的存在。
⑶. 無論將超限連梁點(diǎn)鉸或者讓其退出工作,超限連梁均應(yīng)按實(shí)際截面并根據(jù)上述第四條的原則進(jìn)行配筋,做到強(qiáng)剪弱彎。
總之,剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)長期、復(fù)雜乃至循環(huán)往復(fù)的過程,在這過程中,任何遺漏或錯(cuò)誤都有可能使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果存在一些不安全因素。以上論述只是筆者在日常剪力墻設(shè)計(jì)工作中的一些淺薄認(rèn)識(shí)及心得體會(huì),作為與從事結(jié)構(gòu)工作的同行們的技術(shù)交流,不妥之處懇請賜教指正。
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