关于剪力墙约束边缘构件一些疑问的探讨

关于剪力墙约束边缘构件一些疑问的探讨

王燕舞

江苏昊都建设工程有限公司  江苏省镇江扬中市 212200

0 前言

《建筑抗震设计规范》( GB 50011—2010 ) ［1］( 简称抗规)实施过程中关于“约束边缘构件”所遇到的疑问，以常见的二级抗震等级为例( 其余抗震等级问题类似) ，一一进行分析，并提出相应的解决办法。

1 约束边缘构件最小纵筋直径取值

抗规［1］表6. 4. 5-3 中，抗震等级为二级时，约束边缘构件最小纵向钢筋为max{ 0. 010Ac，6φ16( 三级6φ14) } 。该内容存在争议的是: 二级抗震时，约束边缘构件的最小纵筋直径是否需取φ16? 当0. 010Ac ＞ 1 206mm2 ( 6φ16 ) 时，是否在截面配筋里还必须含有6φ16? 对于剪力墙边缘构件纵筋最小直径的问题，抗规［1］并未明文提及，仅在6. 4. 4-3 条中提及剪力墙竖向分布筋的直径不宜小于10mm。

为了探讨这个问题，先分析图1所示的两种配筋方式，两个截面相同，且均为二级抗震的约束边缘构件。可计算出纵向钢筋配筋率及箍筋的体积配箍率: 方案1: ρs = 1. 03% ，ρv = 1. 047% ; 方案2: ρs =1. 005%，ρv = 0. 951%。方案1采用了细而密的配筋方案，纵筋采用14 后，在满足配筋率的条件下，减小了纵筋间距，加密了箍筋肢距，提高了体积配筋率，延性将优于方案2，也符合强剪弱弯的延性设计思想。从控制墙面裂缝的角度来说，由于墙厚一般较小，反而应控制剪力墙纵筋的最大直径，如剪力墙中配置直径过大的纵向钢筋( 如大于墙厚的1 /10) ，则容易产生墙面裂缝。综上分析，抗规［1］表6. 4. 5-3中关于二级抗震不小于6φ16 的规定应是指配筋面积不小于6φ16，即As≥1 206mm2，表6. 4. 5-3 内容也并未涉及约束边缘构件纵筋的最小直径，而更多的是从配筋面积上来加以限制。表6. 4. 5-3 中的6φ16 主要是对截面较小的约束边缘构件设定的，因为一般仅会在截面较小的约束边缘构件( 如墙厚200mm，l c = 400 时) 中出现0. 010Ac＜1 206mm2( 6φ16) 的情况，截面较大的矩形或转角形约束边缘构件( 如截面大于200 ×600) 的最小配筋面积均大于6φ16。

图 1    两种纵筋配置方案示意

2 约束边缘构件的箍筋配置

2. 1 约束边缘构件的箍筋沿竖向间距问题

抗规［1］及《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ 3—2010)［2］( 简称混凝土高规) 均允许一定条件下水平分布钢筋兼作约束边缘构件的箍筋使用，配套的国标图集( 11G101-1)［3］，( 11G329-1)［4］也给出了相应的构造做法。图2 所示即为图集( 11G329-1) 给出的利用墙的水平分布钢筋代替约束边缘构件的部分箍筋的一种做法。抗规［1］表6. 4. 5-3 中规定，二、三级抗震等级的约束边缘构件箍筋或拉筋沿竖向间距不小于150mm。有审图专家认为: 即使水平筋已兼作箍筋，也只能计入其体积配箍率，在考察“竖向间距”时，仍不能视其为箍筋，即图2 中关于“箍筋或拉筋沿竖向间距”是指Sb，而非Sa。这种观点存在自相矛盾的地方: 首先，既然水平筋已经兼作箍筋使用，满足相应的构造要求后，它就已经具备箍筋的功能，在各项参数控制时就应视其为箍筋; 其次，如果不能当作箍筋，又为何能计入其体积配箍率? 所以，这种观点是值得商榷的。仔细理解规范思想，抗规［1］6. 4. 5 条条文说明已经明确: 考虑水平筋同时为抗剪受力钢筋，其竖向间距往往大于约束边缘构件的箍筋间距，需要另增一道封闭箍筋(图2) 。由此可见，规范的原意是兼作箍筋的水平筋就可以当作箍筋，但需满足相关构造要求。在考察箍筋竖向间距时应按图2 中的Sa计算，而非Sb。

图3   配置两种不同水平筋

的约束边缘构件示意

图 2 利用墙水平分布筋代替部分

约束边缘构件箍筋做法( a)

2. 2 水平分布钢筋所占比例不大于30%总体积配箍率要求的问题

根据工程使用的材料及墙肢轴压比，可算出剪力墙约束边缘构件所需箍筋最小体积配箍率［ρv］:

［ρv］ = λv fc / fyv

式中: λv为由墙肢轴压比决定的最小配箍特征值; fc为混凝土轴心抗压强度设计值，强度等级低于C35时按C35 计算; fyv为箍筋或拉筋的抗拉强度设计值。

抗规［1］6. 4. 5 条条文说明及混凝土高规［2］7. 2. 15 条均明确: 约束边缘构件的箍筋体积配箍率可计入箍筋、拉筋及符合构造要求的水平分布钢筋，计入的水平分布钢筋的体积配箍率不应大于总体积配筋率的30%。现在的问题是: 所说的总体积配箍率是计算实配的总体积配箍率ρv还是规范要求的最小体积配箍率［ρ

v］?

为分析此疑点，先来考察常见的图3 所示的节点，比较其配置两种不同水平筋的情况。基本条件为: 抗震等级为二级，λv = 0. 2，混凝土强度等级为C40，箍筋及水平分布筋均采用HRB400 级钢筋，水平筋兼作箍筋使用，具体情况见表1。

                      构件参数                          表 1

由表1 可见，如按实配的总体积配箍率ρv计算，当水平筋直径增大后，由于相对含量的变化，同样的墙肢，反而不满足要求了，这显然有违常理。其实由表1可见，在两种配筋方案中，另外加设的箍筋及拉筋的体积配箍率ρsv均大于［ρv］的70% ，即: ρsv≥0. 7［ρv］。同样情况的节点，当水平筋直径增大后，并没有减小箍筋的体积配箍率，仅增大了水平分布筋的含量，理应更安全才是。所以，计算水平筋体积配箍率时，应按规范要求的最小体积配箍率［ρv］的30%为限。另外，为避免产生类似歧义，该条文更改为“另外加设的箍筋及拉筋的体积配箍率不应小于最小体积配箍率的70%”，则更为合理、准确。

2. 3 约束边缘构件非阴影区的箍筋配置问题

同样以二级抗震为例，约束边缘构件计入非阴影区后，箍筋竖向间距是否还需满足不大于150mm的要求?约束边缘构件非阴影区计入的水平分布钢筋的体积配箍率是否还需满足不应大于总体积配筋率的30% 的要求? 单就抗规［1］表6. 4. 5-3 来说，约束边缘构件非阴影区也应满足这些要求。但在实际工程设计中，常常难以满足。例如最常见的200mm厚剪力墙，水平筋竖向间距一般为200mm，如在非阴影区不另增设箍筋，则其间距不满足要求。对于非阴影区的箍筋做法，图集( 11G101-1) 未提及。估计考虑到这两方面的要求，图集( 11G329-1) 给出了两种做法，图2 即为其中一种。这种做法的不足之处是非阴影区中间附加的拉筋由于只是单向拉筋，施工中不易固定，较难操作，另外由于单向拉筋未形成封闭箍筋，其对混凝土的约束能力也会有所折减。考虑到水平筋和箍筋体积配箍率的要求，则必须在水平筋内另加拉筋，否则单层拉筋将因所占体积配箍率过低而不满足要求。但是从剪力墙的延性需求来看，墙肢端部变形大，延性要求高，离端部越远，延性要求会逐步降低。由此可知，对于约束边缘构件来说，非阴影区的延性要求可比阴影区的略作降低，因此，约束边缘构件的阴影区与非阴影区可区别对待。通过以上分析，约束边缘构件完全满足规范要求的构造方式是本文图2 的方式。在没有更好构造方式的情况下，建议采用此种做法。

2. 4 阴影区是否必须采用箍筋的形式

如图4 所示，当约束边缘构件有多个平行拉筋时，是否必须采用封闭箍筋的形式? 其实，在抗规［1］表6. 4. 5-2 及表6. 4. 5-3 中已经隐含地给出了答案。对于约束边缘构件来说，可采用箍筋或拉筋。由于约束边缘构件要求的体积配箍率较高，且计算体积配箍率时应将重叠部分箍筋扣除，故从经济角度考虑，建议采用大套箍和拉筋结合的配箍方式。而对于构造边缘构件来说，由表6. 4. 5-2 可明确看出，底部加强部位和其他部位的构造边缘构件的纵

向钢筋数量和形式不同，底部加强部位的构造边缘构件采用箍筋，其他部位的构造边缘构件可采用拉筋( 转角处宜采用箍筋) 。对于框架-核心筒结构，混凝土高规［2］将旧版混凝土高规( JGJ 3—99) 规定的“约束边缘构件范围内全部采用箍筋”更改为主要采用箍筋，即采用箍筋与拉筋相结合的配箍方法。究其原因，是因为约束边缘构件通常需要一个沿周边的大箍，如中间再加上小箍，由于小箍无法勾住大箍，会造成大箍的长边无支长度过大，起不到应有的约束作用。因此，采用大箍加拉筋的配箍方式更能发挥大箍的约束作用。

图 4  配置箍筋或拉筋的大样示意

                              图5 利用墙水平分布筋代替部分

                                   约束边缘构件箍筋做法( b)

2. 5 其他应注意的问题

抗规［1］及混凝土高规［2］均可计入符合规定条件的水平钢筋的约束作用，“符合构造要求”一般是指: 水平分布筋伸入约束边缘构件，在墙端有90°弯折后延伸到另一非分布钢筋并勾住其竖向钢筋，内、外水平分布钢筋之间设置足够的拉筋，从而形成复合箍，可以起到有效约束混凝土的作用。此种构造即图集( 11G329-1) 中的做法( b) ，见本文中的图5;另一种做法是该图集中的做法( a) ，即本文中的图2，用U 形箍与墙体水平筋在约束边缘构件范围外搭接，虽然因多了两个搭接接头而导致施工较为麻烦，但对混凝土的约束效果相比做法( b) 更好一些，因此建议采用这种做法，但应注意按规范要求错开U 形箍与水平筋的搭接接头( 图集并未错开) 。

关于计算体积配箍率时，箍筋和水平分布筋重叠部分是否都可以计入体积配箍率? 旧版规范不允许计入重叠部分。。新版规范( 混凝土规范［5］、抗规［1］、混凝土高规［2］) 表述不一，但结合各本规范的原意和后出的勘误来看，因为重叠部分箍筋对混凝土的约束情况比较复杂，在还没有具体换算办法时，还是主张先不要计入重叠部分的箍筋体积。

3 结论

( 1) 剪力墙水平分布钢筋兼作约束边缘构件的箍筋，考察箍筋沿竖向间距时，应将其当作箍筋计算，即按本文图2 中的Sa计算。

( 2) 二级抗震时，约束边缘构件的纵向钢筋配筋应以面积控制为宜。

( 3) 抗规［1］条文“计入的水平分布钢筋的体积配箍率不应大于总体积配筋率的30%”如更改为“另外加设的箍筋及拉筋的体积配箍率不应小于最小体积配箍率的70%”，则更为合理、准确。

( 4) 由于延性需求不同，约束边缘构件阴影区和非阴影区的箍筋间距可区别对待。

( 5) 剪力墙水平分布钢筋兼作约束边缘构件的箍筋，建议采用U 形箍加设拉筋的构造方式，但应注意施工时错开U 形箍与水平筋的搭接接头。