偏心受拉墙肢的性能研究及设计处理

偏心受拉墙肢的性能研究及设计处理

杜鹏 白宗琨

同圆设计集团股份 有限公司，济南 250101

摘要：本文针对高烈度区超高层剪力墙结构底部出现的墙肢受拉现象，采用有限元分析软件建立剪力墙实体模型，分析竖向拉力作用下混凝土和钢筋的应力变化规律，为受拉墙肢的设计处理提供依据。

关键词：偏心受拉墙肢、中震、名义拉应力、组合截面、有限元分析

1 概述

华润置地（太原）发展有限公司开发的太原幸福里项目，位于山西省太原市。本项目由7～13号共7栋超高层住宅，多层沿街商业及连为一体的两层地下车库组成。7栋住宅主楼采用剪力墙结构，地下三层，地上38～40层，结构高度117.60～128.30m，均超过了抗震设防烈度8度区A级高度100m的限值，为B级高度高层结构。等效高宽比6.95～7.50，超过8度区5.0的规范高宽比限值。

本项目各塔楼具有高烈度、结构超高和大高宽比三大特点，导致塔楼在中震不屈服工况下，结构底部外围剪力墙肢普遍出现拉应力。由于墙肢受拉后对其抗剪承载力会带来影响，各超限审查要点均对墙肢受拉做出明确要求，具体如下：

《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建制[2015]67号）第十二条(四)款：中震时出现小偏心受拉的混凝土构件应采用《高层混凝土结构规程》中规定的特一级构造。中震时双向水平地震下墙肢全截面由轴向力产生的平均名义拉应力超过混凝土抗拉强度标准值时宜设置型钢承担拉力，且平均名义拉应力不宜超过两倍混凝土抗拉强度标准值(可按弹性模量换算考虑型钢和钢板的作用)，全截面型钢和钢板的含钢率超过2.5%时可按比例适当放松。

说明：计入型钢换算截面的平均拉应力达到2ftk时，若钢筋和型钢的总截面面积达到全截面的3%，则混凝土开裂后钢材的平均应力接近屈服值，混凝土裂缝宽度较大，影响墙体的抗剪能力。因此，需要控制墙肢的平均拉应力；当型钢的含钢率超过2.5%时，控制值可随含钢率的增加而放松。

山西省对超限高层建筑工程抗震设防专项审查的要求：当拉应力超过混凝土抗拉强度标准值的2倍时，应设置型钢。拉应力在两倍以内时，也可由钢筋承担全部拉力。

本工程各塔楼下部楼层的剪力墙混凝土强度等级取为C50，墙肢中震下拉应力大部分均控制在2ftk以内，仅13#楼局部小墙肢出现了大于2ftk的情况。

由于设置型钢后，施工难度较大，造价较高，下面探讨通过对局部拉应力超过2ftk的小墙肢进行设计处理，不设置型钢是否可满足要求。以13#楼为例进行讨论。

2 墙肢受拉计算情况

中震不屈服工况下，底部墙肢受拉计算情况如图1所示。

作者简介：杜鹏（1974—），男，学士，研究员

图1 13#楼一层墙肢受拉情况

图2 左上角墙肢受拉情况 图3 左下角墙肢受拉情况

根据计算情况可以看出，部分小墙肢拉应力较大，超过混凝土抗拉强度的2倍，为了保证设计结构的安全、经济合理，下面通过数值分析进行模拟验证。

3 有限元分析验证

采用通用有限元软件建立剪力墙实体模型，分别进行竖向拉力作用下的受力分析，得到剪力墙受拉工况下的全截面开裂荷载、混凝土裂缝开展、混凝土和钢筋的应力变化情况。

选取构件形状较为简洁的左上角T形墙肢进行分析，截面尺寸以及配筋形式如下图所示。

图4 左上角墙肢配筋简图

该T形截面剪力墙混凝土采用C50，弹性模量3.45×104MPa，泊松比0.25，剪胀角30°，流动势偏移量0.1，双轴受压与单轴受压极限强度比1.16，不变量应力比0.667，粘滞系数0.0005，其他混凝土本构关系见表1。钢筋采用HRB400，假设钢筋本构关系为理想弹塑性模型，弹性模量为2×105MPa，泊松比为0.3，屈服强度为400MPa。墙体高度取层高4.5m，钢筋保护层厚度20mm，轴向拉力取等效均布荷载7.17MPa，纵筋68C20，箍筋C10@100。

表1 混凝土C50材料本构

混凝土选用八节点缩减积分实体单元（C3D8R）建模，钢筋模型采用三维桁架线性单元（T3D2）建模。混凝土单元网格大小适宜即可，不宜过细，因为混凝土开裂软化和损伤，在单元划分越密集时越严重，计算结果越不容易收敛。钢筋与混凝土采用Embed嵌入连接。有限元模型下图所示。

（a）混凝土墙体 （b）钢筋

图5 有限元模型示意图

采用有限元软件对该剪力墙模型进行静力加载，通过分析混凝土和钢筋的应力变化和破坏情况，初步得到以下结果。

从混凝土最大主应力变化云图可以看出，施加荷载后，T形墙体底端部暗柱位置处应力较大，增长也较快，当加载到约0.37倍荷载时，其中最短的一个墙肢底部开始开裂出现裂缝并随之卸载，此时相应部位的纵向钢筋应力突然增大，如图6（a）、图7（a）所示。当荷载进一步加大时，裂缝逐渐向墙体中部扩展，当加载到约0.51倍的荷载时墙体底部全截面开裂，开裂部位的钢筋应力也随之增大，如图6（b）、图7（b）所示。随后应力和裂缝不断向上发展，直至整个混凝土构件开裂，荷载全部由钢筋承担为止。如图6（c）、图7（c）所示。

通过以上计算分析，初步得到以下结论，可以应用于受拉剪力墙的设计指导：

1. 拉应力由T形截面翼缘墙肢端部开始出现，逐步扩展到腹板墙肢，并最终协同受力，形成全截面受拉的状态；

2. 墙肢截面端部受力较大，破坏较早，因此，设计中应加大暗柱纵筋的配筋面积，同时加强竖向分布筋，防止纵筋屈服；

（3）受拉墙肢底部首先发生破坏，随之向顶部扩展；

（4）受拉墙肢底部易出现全截面裂缝，抗剪承载力及刚度受到削弱，拉力由竖向钢筋承担。

（a） （b） （c）

图6 混凝土应力变化云图

（a） （b） （c）

图7 钢筋应力变化云图

4 设计处理

适当加厚受拉墙肢的垂直墙肢（翼墙），同时采用组合截面计算拉应力，将名义拉应力控制在2ftk以内。根据以上有限元分析结论：相互连接的剪力墙肢受力具有协同性，一段墙肢受拉，与之相连的墙肢在一定范围内也是协同受力的，墙肢间并不是独立受力。而且地震工况一般是瞬时的，非长期作用荷载。根据混凝土构件的受力特性，一般是在带裂缝状态下工作。据此结论：对拉应力超过2ftk的墙肢，适当加厚翼墙以降低部分拉应力；并取2~3倍翼墙厚度形成组合截面统计名义拉应力，处理后拉应力结果如图8所示。

可以看出，根据协同受力的原则，处理后墙肢受拉均小于2倍的混凝土抗拉强度，满足2015版《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的截面限制条件，满足山西省对超限高层建筑工程抗震设防专项审查可不设置型钢的条件，可采用钢筋承担全部拉力。

施工图设计时，结合有限元数值模拟结论，对受拉墙肢，着重增大端部暗柱纵筋配置，同时适当增大相关范围内墙身配筋，满足钢筋承担全部拉力的要求。

图8 处理后的墙肢受拉情况

图9 处理后左上角墙肢受拉情况图

10 处理后左下角墙肢受拉情况

5 结论

（1）高烈度区的高层结构承担较大的倾覆力矩，当结构高宽比较大时，中震时往往会造成剪力墙肢的受拉。墙体拉应力会对墙的受力性能造成不利影响，必须做出设计处理。

（2）受拉墙肢是否设置型钢应遵从全国《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》和当地超限审查机构的具体规定。

（3）受拉墙肢与其翼缘墙具有协同受力的特性，通过加强受拉墙肢翼墙，可减小墙肢拉应力，并可适当考虑翼墙对于名义拉应力的贡献。

（4）墙肢截面端部受力较大，破坏较早，因此，设计中应加大暗柱纵筋的配筋面积，同时加强竖向分布筋，防止纵筋屈服。

参考文献

[1] 《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010

[2] 《建筑抗震设计规范》GB50011-2010

[3] 《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》建制[2015]67号

[4] 山西省《超限高层建筑工程抗震设防专项审查送审报告格式与内容》晋建质函[2013]15号