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摘要:针对高层建筑剪力墙结构的设计,探讨了剪力墙结构的平面布置、墙肢截面厚度、剪力墙约束边缘构件和连梁的设计问题。
关键词:高层建筑；剪力墙结构；墙肢；约束边缘构件；连梁
Abstract: in high-rise building shear wall structure design, discusses the shear wall structure layout, wall thickness, shear wall limb section constraints of coupling beam element and edge design problem.
Keywords: high building; The shear wall structure; Wall limb; Constraint edge structures; and Even beam
中图分类号：TU398+.2 文献标识码：A文章编号：
1 引言
随着经济和社会的发展,高层建筑逐渐成为现代建筑的发展趋势。20 世纪60 年代出現的剪力墙结构,由于其抗侧刚度大,能有效的减少侧移,且具有较好的抗震性能。而使其被广泛应用于多层和高层钢筋混凝土房屋中。
剪力墙结构刚度大,整体性好,用钢量较省,在高层住宅、旅馆等居住性建筑中,居室和客房均为小房间,分隔墙较多。采用现浇剪力墙结构,可以将承重墙与分隔墙合二为一,相对来说比较经济。另外,室内较框架结构简洁,没有露梁、露柱现象。外形美观,便于室内布置,使用功能更好,且增大了使用面积。因此受到了开发商和业主的广泛欢迎。
剪力墙由墙肢和连梁两种构件组成。其结构承载力及刚度都很大,侧移变形小,抵抗水平侧移能力强。经过合理设计可做成抗震性能很好的延性剪力墙,无论在非地震区及地震区都很适用。缺点是由于剪力墙最大间距的限制,使建筑平而和使用空间受到一定的局限。结构的延性一般不如框架结构和框架剪力墙结构体系,结构自重较大,总高度不大时结构材料耗费可能较多。
2 墙肢的分类和结构布置
2.1 墙肢的分类
剪力墙根据墙肢的高厚比分为一般剪力墙和短肢剪力墙。一般剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比大于8 的剪力墙,短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5～8 的剪力墙。剪力墙根据墙面开洞大小的情况,还可分为整截面墙、整体小开口墙、联肢墙和壁式框架。当剪力墙的墙肢截面高度hw 与厚度bw 之比小于5 时均称为小墙肢。其中,当hw/ bw 不大于3 时,宜按框架柱进行截面设计,轴压比、剪压比和箍筋体积率按相应抗震等级框架柱。
2.2 剪力墙的结构布置
多高层建筑应有较好的空间工作性能,剪力墙结构应双向布置,形成空间结构。特别是在抗震设防区,应避免单向布置剪力墙,并宜使两个方向刚度接近。剪力墙平面上分布要力求均匀,使其刚度中心和建筑物质心尽量接近,以减小扭转效应。必要时通过改变墙肢长度和连梁高度调整刚心位置。剪力墙抗侧刚度大,结构自振周期短,所受水平地震作用较大,对结构不利。可充分利用剪力墙的抗侧刚度及承载力均较大的能力,尽量减薄纵横墙体的厚度,或采用“主次结构”,加大墙体的间距,减少墙体数量,以降低结构的抗侧移刚度,减轻结构重量,减少墙体的水平地震剪力和弯矩。剪力墙的特点是平面内刚度及承载力大,而平面外刚度及承载力都相对很小。当剪力墙与平面外方向的梁连接时,会造成墙肢平面外弯矩。当梁高大于2 倍墙厚时,梁端弯矩对墙平面外的安全不利,因此应采取措施,以保证剪力墙平面外的安全。对截面较小的楼面梁可设计为铰接或半刚接,减少墙肢平面外弯矩。
3 墙肢长度和厚度的选取
3.1 墙肢的长度
剪力墙墙肢长度(即墙肢截面高度) 一般不宜大于8m。结构设计中的剪力墙结构应具有延性,细高的剪力墙(高宽比大于2) 容易设计成弯曲破坏的延性剪力墙,从而可避免脆性的剪切破坏。当墙的长度很长时,为了满足每个墙段高宽比大于2 的要求,可通过开设洞口将长墙分成长度较小、较均匀的联肢墙,洞口连梁宜采用约束弯矩较小的弱连梁(其跨高比宜大于6) ,使其可近似认为分成了独立墙段。
3.2 墙肢厚度的选取
高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3 - 2002)第7.2.2 条第1～3 款规定了剪力墙的最小厚度,其主要目的是保证剪力墙出平面的刚度和稳定性能。现将第1～3 款的要求列表如下,见表1。
表1 剪力墙截面最小厚度
对短肢剪力墙结构,高规(J GJ 3 - 2002) 规定其抗震等级应比表4.8.2 规定的抗震等级提高一级采用。故除6 度区外,短肢剪力墙的抗震等级至少为一级。对于住宅建筑, 填充墙厚一般为200mm ,相应剪力墙厚也取为200mm。住宅层高一般为2.8～3.0m ,故墙厚取200mm ,除底层加强区的一字形短肢剪力墙外,均能满足规范要求。对于无地下室的高层住宅,因其基础埋深一般在2. 5m 以上,则底层墙体高度会到5.0m 以上,若按层高的1/ 16 确定墙厚,将超过300mm ,大于填充墙厚度。为避免出现此种情况,在布置剪力墙时,应结合建筑平面,尽量不用一字形剪力墙,而采用L 、T、Z、十字形等截而形式,且使翼缘长度大于其厚度的3 倍,这样一方面墙体抗震性能更好,另一方面墙厚也可取为剪力墙无支长度的1/ 16 。由于住宅建筑中剪力墙肢长一般小于3.0m ,故厚度采用200mm满足构造要求。
4 边缘构件的设置
试验表明,有约束边缘构件的矩形截面剪力墙与无约束边缘构件的矩形截面剪力墙相比,极
限承载力约提高40 % ,极限层间位移角约增加一倍,对地震能量的消耗能力增大20 %左右,且有利于墙板的稳定。剪力墙设置的边缘构件分为约束边缘构件和构造边缘构件。一级和二级剪力墙结构的墙底部加强部位及相邻的上一层,高层建筑及在重力荷载代表值作用下墙体平均轴压比不小于表2 的规定值的多层房屋,应设置约束边缘构件。一、二级剪力墙底部加强部位以上的一般部位和三、四级和非抗震设计的高层建筑及底部加强部位及相邻上一层轴压比小于表2 的多层房屋剪力墙,均应设置构造边缘构件。
表2 剪力墙结构设置构造边缘构件的最大平均轴压比
部分框支剪力墙结构,落地剪力墙的底部加强部位,两端应有翼墙和端柱,应设置约束边缘构件。不落地的剪力墙及落地剪力墙其他部位设置构造边缘构件。
5 连梁设计
5.1 连梁的作用
在剪力墙结构中,连接墙肢与墙肢的梁称为连梁。在水平荷载作用下,墙肢发生弯曲变形,使连梁端部产生转角,从而使连梁产生内力,同时连梁端部的内力又反过来减小与之相连的墙肢的内力和变形,对墙肢起到一定的约束作用,改善墙肢的受力状态。因此,连梁对于剪力墙结构尤为重要,在起到连接墙肢作用的同时,还对所连接的墙肢起到一定的约束作用。
5.2 连梁设计的处理方法
在带连梁的剪力墙设计中,连梁的跨高比和截面尺寸受到许多因素的影响,设计不当经常出现连梁承载力超限或连梁截面不符合设计要求的情况,设计时可从以下方面考虑。
5. 2. 1 对连梁的刚度进行折减
连梁由于跨高比较小,与之相连的墙肢刚度大等原因,在水平力作用下的内力往往很大,连梁屈服时表现为梁端出现裂缝,刚度减小,内力重分布。因此,在开始进行结构整体计算时,就需对连梁刚度进行折减。高规(J GJ3 - 2002) 中解释说高层建筑结构构件均采用弹性刚度参与整体分析,但抗震设计的剪力墙结构中的连梁刚度相对墙体较小,而承受的弯矩和剪力很大,配筋设计困难。因此,可考虑在不影响其承受竖向荷载能力的前提下,允许其适当开裂(刚度降低) 而把内力转移到墙体上。通常,设防裂度低时可少折减一些(6、7 度时可取0.7) ,设防裂度高时可多折剪一些(8、9 度时可取0.5) 。但折减系数不宜小于0.5 ,以保证连梁承受竖向荷载的能力。
5. 2. 2 增加剪力墙洞口的宽度、减小连梁高度
增加剪力墙洞口的宽度,即增加连梁跨度,减小连梁高度,其目的是减小连梁刚度,同时由于减小了结构的整体刚度,也就减小了地震作用的影响,使连梁的承载力有可能不超限。
5. 2. 3 增加剪力墙的厚度
增加剪力墙的厚度,即增加连梁的截面宽度,其结果一方面由于结构整体刚度加大,地震作用产生的内力增加,另一方面连梁的抗剪承载力与连梁宽度的增加成正比。由于剪力墙的厚度增加后,地震作用所产生的内力并不按墙厚增加的比例分配给剪力墙,而是小于这个比例,因此有可能使连梁抗剪承载力不超限。
5. 2. 4 提高混凝上等级
提高剪力墙的混凝上等级,其弹性模量增加的比例远小于混凝上抗剪承载力提高的比例,因此也有可能使连梁的抗剪承载力不超限。
6 结语
在剪力墙结构设计中,怎样既能让这种体系刚度大、外观简洁等优点发挥出来,又能克服其结构本身存在的缺点,是设计的关键。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词:高层建筑；剪力墙结构；墙肢；约束边缘构件；连梁
Abstract: in high-rise building shear wall structure design, discusses the shear wall structure layout, wall thickness, shear wall limb section constraints of coupling beam element and edge design problem.
Keywords: high building; The shear wall structure; Wall limb; Constraint edge structures; and Even beam
中图分类号：TU398+.2 文献标识码：A文章编号：
1 引言
随着经济和社会的发展,高层建筑逐渐成为现代建筑的发展趋势。20 世纪60 年代出現的剪力墙结构,由于其抗侧刚度大,能有效的减少侧移,且具有较好的抗震性能。而使其被广泛应用于多层和高层钢筋混凝土房屋中。
剪力墙结构刚度大,整体性好,用钢量较省,在高层住宅、旅馆等居住性建筑中,居室和客房均为小房间,分隔墙较多。采用现浇剪力墙结构,可以将承重墙与分隔墙合二为一,相对来说比较经济。另外,室内较框架结构简洁,没有露梁、露柱现象。外形美观,便于室内布置,使用功能更好,且增大了使用面积。因此受到了开发商和业主的广泛欢迎。
剪力墙由墙肢和连梁两种构件组成。其结构承载力及刚度都很大,侧移变形小,抵抗水平侧移能力强。经过合理设计可做成抗震性能很好的延性剪力墙,无论在非地震区及地震区都很适用。缺点是由于剪力墙最大间距的限制,使建筑平而和使用空间受到一定的局限。结构的延性一般不如框架结构和框架剪力墙结构体系,结构自重较大,总高度不大时结构材料耗费可能较多。
2 墙肢的分类和结构布置
2.1 墙肢的分类
剪力墙根据墙肢的高厚比分为一般剪力墙和短肢剪力墙。一般剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比大于8 的剪力墙,短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5～8 的剪力墙。剪力墙根据墙面开洞大小的情况,还可分为整截面墙、整体小开口墙、联肢墙和壁式框架。当剪力墙的墙肢截面高度hw 与厚度bw 之比小于5 时均称为小墙肢。其中,当hw/ bw 不大于3 时,宜按框架柱进行截面设计,轴压比、剪压比和箍筋体积率按相应抗震等级框架柱。
2.2 剪力墙的结构布置
多高层建筑应有较好的空间工作性能,剪力墙结构应双向布置,形成空间结构。特别是在抗震设防区,应避免单向布置剪力墙,并宜使两个方向刚度接近。剪力墙平面上分布要力求均匀,使其刚度中心和建筑物质心尽量接近,以减小扭转效应。必要时通过改变墙肢长度和连梁高度调整刚心位置。剪力墙抗侧刚度大,结构自振周期短,所受水平地震作用较大,对结构不利。可充分利用剪力墙的抗侧刚度及承载力均较大的能力,尽量减薄纵横墙体的厚度,或采用“主次结构”,加大墙体的间距,减少墙体数量,以降低结构的抗侧移刚度,减轻结构重量,减少墙体的水平地震剪力和弯矩。剪力墙的特点是平面内刚度及承载力大,而平面外刚度及承载力都相对很小。当剪力墙与平面外方向的梁连接时,会造成墙肢平面外弯矩。当梁高大于2 倍墙厚时,梁端弯矩对墙平面外的安全不利,因此应采取措施,以保证剪力墙平面外的安全。对截面较小的楼面梁可设计为铰接或半刚接,减少墙肢平面外弯矩。
3 墙肢长度和厚度的选取
3.1 墙肢的长度
剪力墙墙肢长度(即墙肢截面高度) 一般不宜大于8m。结构设计中的剪力墙结构应具有延性,细高的剪力墙(高宽比大于2) 容易设计成弯曲破坏的延性剪力墙,从而可避免脆性的剪切破坏。当墙的长度很长时,为了满足每个墙段高宽比大于2 的要求,可通过开设洞口将长墙分成长度较小、较均匀的联肢墙,洞口连梁宜采用约束弯矩较小的弱连梁(其跨高比宜大于6) ,使其可近似认为分成了独立墙段。
3.2 墙肢厚度的选取
高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3 - 2002)第7.2.2 条第1～3 款规定了剪力墙的最小厚度,其主要目的是保证剪力墙出平面的刚度和稳定性能。现将第1～3 款的要求列表如下,见表1。
表1 剪力墙截面最小厚度
对短肢剪力墙结构,高规(J GJ 3 - 2002) 规定其抗震等级应比表4.8.2 规定的抗震等级提高一级采用。故除6 度区外,短肢剪力墙的抗震等级至少为一级。对于住宅建筑, 填充墙厚一般为200mm ,相应剪力墙厚也取为200mm。住宅层高一般为2.8～3.0m ,故墙厚取200mm ,除底层加强区的一字形短肢剪力墙外,均能满足规范要求。对于无地下室的高层住宅,因其基础埋深一般在2. 5m 以上,则底层墙体高度会到5.0m 以上,若按层高的1/ 16 确定墙厚,将超过300mm ,大于填充墙厚度。为避免出现此种情况,在布置剪力墙时,应结合建筑平面,尽量不用一字形剪力墙,而采用L 、T、Z、十字形等截而形式,且使翼缘长度大于其厚度的3 倍,这样一方面墙体抗震性能更好,另一方面墙厚也可取为剪力墙无支长度的1/ 16 。由于住宅建筑中剪力墙肢长一般小于3.0m ,故厚度采用200mm满足构造要求。
4 边缘构件的设置
试验表明,有约束边缘构件的矩形截面剪力墙与无约束边缘构件的矩形截面剪力墙相比,极
限承载力约提高40 % ,极限层间位移角约增加一倍,对地震能量的消耗能力增大20 %左右,且有利于墙板的稳定。剪力墙设置的边缘构件分为约束边缘构件和构造边缘构件。一级和二级剪力墙结构的墙底部加强部位及相邻的上一层,高层建筑及在重力荷载代表值作用下墙体平均轴压比不小于表2 的规定值的多层房屋,应设置约束边缘构件。一、二级剪力墙底部加强部位以上的一般部位和三、四级和非抗震设计的高层建筑及底部加强部位及相邻上一层轴压比小于表2 的多层房屋剪力墙,均应设置构造边缘构件。
表2 剪力墙结构设置构造边缘构件的最大平均轴压比
部分框支剪力墙结构,落地剪力墙的底部加强部位,两端应有翼墙和端柱,应设置约束边缘构件。不落地的剪力墙及落地剪力墙其他部位设置构造边缘构件。
5 连梁设计
5.1 连梁的作用
在剪力墙结构中,连接墙肢与墙肢的梁称为连梁。在水平荷载作用下,墙肢发生弯曲变形,使连梁端部产生转角,从而使连梁产生内力,同时连梁端部的内力又反过来减小与之相连的墙肢的内力和变形,对墙肢起到一定的约束作用,改善墙肢的受力状态。因此,连梁对于剪力墙结构尤为重要,在起到连接墙肢作用的同时,还对所连接的墙肢起到一定的约束作用。
5.2 连梁设计的处理方法
在带连梁的剪力墙设计中,连梁的跨高比和截面尺寸受到许多因素的影响,设计不当经常出现连梁承载力超限或连梁截面不符合设计要求的情况,设计时可从以下方面考虑。
5. 2. 1 对连梁的刚度进行折减
连梁由于跨高比较小,与之相连的墙肢刚度大等原因,在水平力作用下的内力往往很大,连梁屈服时表现为梁端出现裂缝,刚度减小,内力重分布。因此,在开始进行结构整体计算时,就需对连梁刚度进行折减。高规(J GJ3 - 2002) 中解释说高层建筑结构构件均采用弹性刚度参与整体分析,但抗震设计的剪力墙结构中的连梁刚度相对墙体较小,而承受的弯矩和剪力很大,配筋设计困难。因此,可考虑在不影响其承受竖向荷载能力的前提下,允许其适当开裂(刚度降低) 而把内力转移到墙体上。通常,设防裂度低时可少折减一些(6、7 度时可取0.7) ,设防裂度高时可多折剪一些(8、9 度时可取0.5) 。但折减系数不宜小于0.5 ,以保证连梁承受竖向荷载的能力。
5. 2. 2 增加剪力墙洞口的宽度、减小连梁高度
增加剪力墙洞口的宽度,即增加连梁跨度,减小连梁高度,其目的是减小连梁刚度,同时由于减小了结构的整体刚度,也就减小了地震作用的影响,使连梁的承载力有可能不超限。
5. 2. 3 增加剪力墙的厚度
增加剪力墙的厚度,即增加连梁的截面宽度,其结果一方面由于结构整体刚度加大,地震作用产生的内力增加,另一方面连梁的抗剪承载力与连梁宽度的增加成正比。由于剪力墙的厚度增加后,地震作用所产生的内力并不按墙厚增加的比例分配给剪力墙,而是小于这个比例,因此有可能使连梁抗剪承载力不超限。
5. 2. 4 提高混凝上等级
提高剪力墙的混凝上等级,其弹性模量增加的比例远小于混凝上抗剪承载力提高的比例,因此也有可能使连梁的抗剪承载力不超限。
6 结语
在剪力墙结构设计中,怎样既能让这种体系刚度大、外观简洁等优点发挥出来,又能克服其结构本身存在的缺点,是设计的关键。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。