试述短肢剪力墙在民用建筑结构设计中的应用

试述短肢剪力墙在民用建筑结构设计中的应用

冼嘉浩

关键词：短肢剪力墙；民用建筑；结构设计

1.短肢剪力墙的布置原则

短肢剪力墙结构中的墙肢应按需布置，既满足抗震要求，又要使结构刚柔并济，其布置原则归纳如下：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，当不能完全做到时允许局部互相错开；每道短肢墙宜与两个方向的梁连结；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，局部可以混合布置部分较长的墙或矩形柱；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.民用建筑结构设计中短肢剪力墙的应用

2.1短肢剪力墙结构设计要求

在目前的建筑结构设计中，剪力墙的应用极为广泛，特别是在大型的高层建筑物中，其身影更是随处可见。剪力墙，又称为抗风墙、抗震墙或者结构墙，顾名思义，它在房屋与各大建筑物中主要起着承受风荷载，或由于地震作用而引起的水平荷载，为建筑物起着主要的支撑作用。

2.1.1民用建筑高度要求剪力墙结构震害会随着建筑高度的增加而增大，因此要对剪力墙结构建筑的高度严格限制。

2.1.2结构布置合理性民用建筑结构的布置要尽量简洁、规则，这样才能保证结构质心和刚心接近。对于剪力墙结构而言，要保证剪力墙方案中的墙片大小、墙量多少和布置的合理性，并坚持均匀、对称和分散的基本原则，墙片不能过长。另外还要控制好剪力墙的间距，并在外纵轴设置相应的开洞剪力墙，这样才能增强结构的横向抗倾覆能力，避免在边柱的位置产生较大的应力。

2.2短肢剪力墙结构的抗震设计

短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节是底部外围的小墙肢、建筑物角点处的墙肢以及连梁等构件，尤其是发生扭转时，建筑物外角点处和边缘的墙肢就会首先开裂。对于层数较高的短肢剪力墙结构在地震作用下，将主要发生弯曲变形，将破坏严重底部外围的小墙肢，特别是“一”字形小墙肢破坏最严重。由于墙肢刚度相对减少，在短肢剪力墙结构中，增加连梁受剪破坏的可能性，因此对这些薄弱环节，设计中更应当加强抗震构造和概念设计措施。在平面上短肢剪力墙结构分布要力求均匀，使建筑物的质心和刚度中心尽量接近，以减小扭转效应。适当的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量，为了提高墙肢的延性和承载力，墙肢截面的轴压比严格控制。连梁是一个耗能结构构件，高层建筑中连梁的剪切破坏将会使结构的延性降低，在具体设计工作中对抗震极其不利，应进行“强剪弱弯”的验算连梁，宜在两个方向均有梁与之拉结短肢剪力墙结构中的短肢剪力墙，在各墙肢的竖平面内宜布置连梁，避免采用“一”字形短肢剪力墙，且短肢剪力墙配筋应当符合相应的规范要求。

2.3短肢剪力墙结构体系的计算

短肢剪力墙只不过是采用较短的剪力墙肢，属于剪力墙结构体系，而且通常采用T形、L形、[形、+形等，与普通剪力墙结构其所采用的配筋力式、计算模型和构造要求均相同，一般采用薄壁杆元（TAT）来分析短肢剪力墙结构，将墙视为薄壁杆件，每端有7个自由度（比普通杆元多一个截面翘曲角在每端6个自由度，即扭转角沿纵轴的导数）按矩阵位移法考虑了墙单元非平面变形的影响，形成总刚度矩阵由单元刚度矩阵，引入楼板平面内刚度无限大。假定未知量减少部分之后求解，它未知量少，适用于各种平面布置，精度较高。

在处理结构布置复杂的问题时可采用壳元模型分析，但应加细单元的划分比如设有转换层的短肢剪力墙结构，通常的处理力法是将电梯间、核心筒等少部分剪力墙落地，其余剪力墙框支框支剪力墙是受力而向受力点过渡，由于薄壁杆件的连接处是点连接，所以用薄壁杆件模型不能很好地处理位移的连续和力的正确传递因此，带有转换层的短肢剪力墙结构宜优先采用墙元模型软件进行计算当然，从整体上的内力（特别是下部支承柱的内力）分布情况来看，如果将剪力墙加以适当的处理，还是可以用TAT，TBSA对结构进行整体计算的。

3.某住宅建筑中短肢剪力墙结构的应用实例

某住宅楼，主体结构地上18层地下1层，建筑面积约13000m2，为达到降低成本的目的，结构设计者需要对结构方案进行优化设计，在保证结构体系安全可靠的前提下，降低主体结构含钢量。因此，结构设计者做了以下两个结构方案，通过比较，从中优选出最优方案。

方案一：筒体与短肢剪力墙结合使用。“筒体”是指：以楼梯间、电梯间四周墙体组成钢筋混凝土核心筒。筒体承受主要水平力。

该方案结合建筑平面布置竖向构件，剪力墙的布置与墙肢长度根据数值模拟的计算结果进行多次调整，主要视抗侧力的需要以及轴压比的限值而定，并通过调整剪力墙布置以调整整体刚度和刚度中心的位置；数值模拟计算采用三维有限元分析软件PKPM结构软件。在水平力作用下结构各层的位移角，可见结构的抗侧力性能满足要求。相对于普通剪力墙结构体系，由于减少了剪力墙数量，结构自重降低，整体刚度也适当降低，地震响应减弱，有利于基础设计，同时也降低了工程造价。

方案二：普通剪力墙结构。根据建筑要求和一般原则设置剪力墙，保持结构刚度在平面上分布的均匀性，有条件的尽量使剪力墙对称布置#剪力墙构件通过梁板的连接形成整体抗侧力强度和刚度很高的体系#若房屋高度不大，会因刚度过大使结构的地震反应加剧，导致结构内力增大，使造价提高并且对结构安全不利，并非是理想的方案。数值模拟计算采用PKPM-SAT-WE结构软件。

通过以上两种方案计算结果的对比发现，在结构受力情况和经济指标两个方面，第一方案均优于第二方案。

结束语：综上所述，短肢剪力墙具有许多优点和特殊性能，其可以灵活布置，墙肢可长可短，并且房间内不会出现露梁露柱的现象。因此，在进行短肢剪力墙结构设计时，应考虑多方面的因素，掌握其结构设计要点，选择合理的布置形式，为其在今后建筑工程中的应用打下夯实的基础。

参考文献

[1]王欢庆.浅议高层短肢剪力墙结构设计[J].黑龙江科技信息.2013.

[2]王长青.试析建筑工程中短肢剪力墙的结构设计[J].中国城市经济.2011.

[3]林靖.谈高层建筑中短肢剪力墙结构设计[J].建筑工程技术与设计.2016.