高层住宅短肢剪力墙结构设计体会

· 42· 2010年 6月 It J 材 Sichuan Buildin．~M aterials 2010年 第 3期 第36卷 总第 155期 高层 住宅短肢剪力墙结构体会 阳 科 (中国铝业集团长沙有色冶金设计研究院，湖南 长沙 410000) 摘 要：本文结合工程实例全面论述了高层住宅建筑 短肢剪力墙结构体系的设计参数和设计指标进行了分析和 比较，选出较合理的布置及计算模式。 关键词：高层住宅；短肢剪 力墙；结构计算振型数； 抗震设计；轴压比 中图分类号：TU973 文献标识码：B 文章编号 ：1672—4011(2010)03—0042—03 O 前 言 高层住宅平面和空间的分隔需满足刚度要求，容柏生 院士为此提出了一种新型结构体系一短肢剪力墙结构。作 为剪力墙结构体系的分支，短肢剪力墙结构由于结构布置 方面的灵活性和可调整性，使其各项技术经济指标均较一 般剪力墙结构理想，因而在高层住宅楼结构设计中已被广 泛采用。结合某高层短肢剪力墙住宅说明在短肢剪力墙设 计中一些系数和参数的选取。 1 工程概况 本工程地上为两栋 17层高层短肢剪力墙结构，地下一 层为大底盘人防车库 ，建筑总高度49．690 m，层高2．87 m。 底层短肢墙厚为 270 mm，2层以上短肢墙厚为 200 mm；地 下 1层墙柱混凝 土采用 C40，1层 ～11层墙柱}昆凝土采 C35，1 1层以上墙柱混凝土采用 C30。填充墙采用蒸压加气 混凝土 。 2 剪力墙的布置 短肢剪力墙结构一般可以根据建筑平面和房间分隔形 式来布置墙体，尽量选用纵横刚度较一致且稳定和刚度较 好的墙肢形式，如“T”型、“L”型等。当确需选用“一”字形 短肢剪力墙时，由于“一”字形短肢剪力墙的延性及平面外稳 定性均十分不利，故平面外不宣布置与之单侧相交的楼面 梁。未布置剪力墙的部分，除门窗洞口外，采用轻质填充 墙，填充墙与剪力墙采用拉筋连接。短肢剪力墙墙肢间距 不宜过大 ，在房间中部隔墙的交点上，要布置一定数量的 短肢墙，既利于梁的支撑，使梁的传力比较明确，避免出 现多级次梁，又可以分散荷载，避免墙肢轴压比超限。 3 结构设计 3．1 设计原则 高层结构设计最重要的是控制结构不发生扭转，即结 构扭转为主的第一 自振周期 T 与平动为主的第一 自振周期 T。之比，不应大于 0．9，见《高层建筑混凝土结构技术规 程》(JGJ3-2o02)(以下简称《高规》)第4．3．5条。 《高规》第7．1．2条2中规定：抗震设计时，简体和一般 剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总 底部地震倾覆力矩的50％。目的是限制短肢剪力墙的数量， 避免结构太刚或太柔，要满足承载力和正常使用的要求， 使结构的周期、层间位移、剪重比在规定范围内。 剪力墙的抗震设计应符合强墙弱梁、强剪弱弯的原则。 连梁屈服先于墙肢，使塑性变形和耗能分散于连粱中，避 免因墙肢过早屈服使塑性变形集中在某一层而形成软弱层 或薄弱层。侧向力作用下变形曲线为弯剪型和弯曲型的剪 力墙，一般会在墙肢底部一定高度内屈服形成塑性铰，通 过剪力墙底部加强 ，提高抗剪承载力 ，实现墙肢强剪弱弯， 避免墙肢剪切破坏，同时连梁通过剪力增大系数调整剪力 设计值，实现强剪弱弯。 3．2 计算参数 的选取 3．2．1 抗震等级 《高规／7．1．2条 3中规定 ：抗震设计时，短肢剪力墙的 抗震等级应比剪力墙的抗震等级提高一级采用，见表 1。 表 1 高层建筑结构抗震等级 烈度 结构类型 6度 7度 8度 9度 高度／m ≤8O>80 ≤8O>80 ≤8O>80 ≤6O 剪力墙 一般剪力墙 四三 短肢剪力墙 注：①接近或等于高度分界时，应结合房屋不规则程度及场地、地基条件适 当确定抗震等级；②短肢剪力墙的最大适用高度应比一般剪力墙结构的规定 值适当降低，且 7度和8度抗震设计时分别不应大于100 m和60 m。 3．2．2 周期折减系数 目的是为了充分考虑框架结构和框剪结构的填充墙刚 度对计算周期的影响，剪力墙结构可取 0．9—1．0(《高规》 3．3．17条)。可适当减小周期折减系数，以加大地震力，增 加结构的安全储备。周期折减系数不改变结构的自振特性， 只改变地震影响系数。周期折减系数 的取值，与结构中非 承重墙体的材料性质、多寡、构造方式有关，应由设计人 员根据实际情况确定 ，本工程周期折减系数取0．7。 3．2．3 连梁刚度折减系数 在承载能力极限状态和正常适用极限状态设计中，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 (降低刚度) 而把内力转移到墙体上。通常 ，设防烈度高时可多折减一 些(8、9度时可取 0．5)，设防烈度低时可少折减一些(6、7度 时可取0．7)，但一般不宜小于0．5，以保证连梁承受竖向荷 载的能力。当连梁刚度折减系数取值小于0．5时，与之相 连的剪力墙肢设计应加强，连梁本身必须满足非抗震设计 的承载能力和正常使用极限状态的设计要求。但是在短肢 剪力墙结构中，跨高比不小于5的梁也占较大比例，类似 普通框架梁的受力性能，重力作用效应比水平风荷载或水 2010年 第 3期 第 36卷 总第 155期 ，·J之材 Sichuan Building M er{nls ·43· 2010年 6月 平地震作用效用更为明显 ，此时应慎重考虑梁刚度折减问 题 ，折减幅度不宜过大，以控制正常使用节点梁裂缝的发 生和发展。原则上来讲 ，当剪力墙的连梁以弯 曲变形为主 时，应按梁输入；当以剪切变形为主时，应按连粱输入。 《高规》中第 7．1．8条规定：剪力墙开洞形成的跨高比小于 5的连梁应按剪力墙章节中有关规定设计 ；当跨高比不小于 5时，宜按框架梁有关规定设计。因此，设计人员可以根据 跨高比是否大于 5来判断 ，是按梁输入还是按洞 口输入。 如果采用 SATWE程序计算，为了处理方便 ，对于连接短肢 墙的梁，可以把跨高比不小于 5的梁按粱输入方式输入， 并且不定义为连梁，按框架梁的参数计算。跨高 比小 于 5 的梁按墙洞口输入 (若仍然按梁输入法输入，就必须定义 成连梁)，这样连梁的折减系数就可以统一取一个数值了。 本工程连梁刚度折减系数统一取 0．7。 3．2．4 框架梁刚度放大系数 现浇楼面和装配整体式楼面的楼板作为梁的有效翼缘 形成 T形截面，提高了楼面梁的刚度，结构计算时应予考 虑。当近似以梁刚度增大系数考虑时，应根据梁翼缘尺寸 与梁截面尺寸的比例予以确定。通常现浇楼面的边框架梁 可取 1．5，中框架梁可取 2．0。有现浇面层的装配式楼面梁 的刚度增大系数可适当减小。程序中框架梁是按矩形输入 截面尺寸并计算刚度的，对于现浇楼板 ，在采用刚性楼板 假定时，楼板作为梁的翼缘 ，是梁的一部分，在分析中可 用此系数来考虑楼板对梁刚度的贡献。梁刚度增大系数 B 可在 1．0—2．0范围内取值。程序 自动搜索中梁和边梁，两 侧均与刚性楼板相连的中梁的刚度放大系数为 ，只有一侧 与刚性楼板相 连的 中梁或边 梁的刚度放大系数 为 (1+ )／2，其他隋况的梁刚度不放大。 3．2．5 结构计算振型数 程序在模型分析时采用的是完整刚度矩阵，计算振型 数的取值应遵循《建筑抗震设计规范》(GBJ5001—2001)中 5．2．2条规定 ：“振型个数一般可以取振型参与质量达到总 质量的90％所需的振型数。”这时所取的振型数就是足够的 振型数。通过大量的计算实例 ，发现振型数的多少不仅与 结构层数、结构形式有关 ，还与计算时是否考虑楼板的弹 性变形有关。当结构层数较多或结构层刚度突变较大时， 振型数应取得多些。当第一周期为扭转周期时，振型数也 应取得多些。当考虑楼板的弹性变形时，振型数有时需成 倍的增加。在 SATWE的WZQ．OUT文件中查看 x．Y向的有 效质量系数。 3．2．6 短肢剪力墙的轴压比 美国 UBC及新西兰规范都引入剪力墙的变形能力要 求，并从变形能力出发规定了轴压比限度 ，同时提出了混 凝土压高变大小设置的约束边缘构件的设计方法。根据国 内目前所做的实验结果 ，当剪力墙所承受的轴压力较大时 ， 延性较差 ，原因在于此时剪力墙处在压弯状态下，受压区 较高，呈小偏心状态 ，所 以要限制轴压比。我国《高规》第 7．1．2条4中：抗震设计时 ，各层短肢剪力墙在重力荷载代 表值作用下产生的轴力设计值的轴压比，抗震等级为一、 二、三级时分别不宜大于 0．5、0．6、0．7；对于无翼缘或端 柱的一字形短肢剪力墙 ，其轴压比限值相应降低 0．1。 3．2．7 考虑偶然偏心或双 向地震作用 国外多数抗震设计规范规定需考虑 由于施工、使用或 地震地面运动的扭转分量等因素引起的偶然偏心的不利影 响。即使对于平面布置规则 (包括对称 )的建筑结构也规 定了偶然偏心。对于平面布置不规则的结构，除其 自身已 有的偏心外，还要加上偶然偏心。质量偶然偏心和双向地 震作用都是客观存在的事实，是两个完全不同的概念。在 地震作用计算时，无论考虑单向地震作用还是双向地震作 用，都有结构质量偶然偏心的问题。反之，不论是否考虑 质量偶然偏心的影响，地震作用的多维性本来都应该考虑。 显然，同时考虑二者的影响计算地震作用原则上是合理的。 但是，鉴于目前考虑二者影响的计算方法并不能完全反映 实际地震作用情况，而是近似的计算方法。因此，质量偶 然偏心和双向地震作用何时分别考虑 以及是否同时考虑， 取决于现行规范的要求。按照《高规》的规定，单向地震作 用计算时，应考虑质量偶然偏心的影响。质量与刚度分布 明显不均匀、不对称的结构，应考虑 双向地震作用计算。 因此 ，质量偶然偏心和双向地震作用的影响可不同时考虑。 如此规定 ，主要是考虑 目前计算方法的近似性以及经济方 面的因素。至于考虑质量偶然偏心和考虑双向地震作用计 算的地震作用效应谁更为不利，会随着具体工程而不同， 或同一工程的不同部位 (不同构件)而不同，不能一概而 论。因此 ，考虑二者的不利情况进行结构设计，显然是可 取的。本工程两项全部考虑取最不利情况。 4 结构计算 该工程结构计算采用中国建筑科学研究院编制的高层 建筑结构有限元分析软件 SATWE。该程序采用空间杆单元 模拟梁、柱及支撑等杆件，用在壳元基础上凝聚而成的墙 元模拟剪力墙 ，墙元不仅具有平面内刚度，也具有平面外 刚度 ，可以较好地模拟工程中剪力墙的真实受力状态 ，而 且墙元的每个节点都具有空间 6个 自由度，墙元的变形协 调好，分析结果符合剪力墙的实际受力情况，精确度较高。 其主要计算结果摘录见表 2。 表2 用 SATWE软件墙元模拟剪力墙的抗震计算结果 振型号 l 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 周期／s l1．9o8 1．888 1．436 1．393 1．289 1．266 0．574 0．570 0．386 0．376 扭转系数i 0 48 0 53 O．56 0．57 0．92 0．94 0．47 0．54 0．56 O．58 X方向的有效质量 95 ． 72 Y方向的有效质量 9O ． 9O 系数／％ 系数／％ l／ Y方向最大层问 l／ x方向最大层间位移角 i253 位移角 1356 注：剪重比满足抗震规范5．2．5条要求的楼层最小剪重比的1．60％。 5 需注意的问题 由于短肢剪力墙结构相对于普通剪力墙结构其抗侧刚 度相对较小，设计时宜布置适当数量的长墙，或利用电梯， 楼梯间形成刚度较大的内筒，以避免设 防烈度下结构产生 大的变形，同时也形成两道抗震设防；短肢剪力墙结构的 抗震薄弱部位是建筑平面外边缘的角部处的墙肢 ，当有扭 转效应时，会加剧已有的翘曲变形 ，使其墙肢首先开裂， 应加强其抗震构造，如减小轴压比，增大纵筋和箍筋 的配筋率；高层短肢剪力墙结构在水平力作用下 ，显现整 体弯曲变形为主，底部外围小墙肢承受较大的竖向荷载和 扭转剪力，由一些模型试验反映出外周边墙肢开裂，因而 对外周边墙肢应加大厚度和配筋量 ，加强小墙肢的延性抗 · 44 · 2010年6月 n Buil J di n~ 材 Materials 2010年 第 3期 第 36卷 总第 155期 震性能。短肢墙应在两个方向上均有连接，避免形成孤立 的 “一”字形墙肢；高层结构中的连梁是一个耗能构件， 在短肢剪力墙结构中，墙肢刚度相对减小，连接各墙肢问 的梁已类似普通框架梁，而不同于一般剪力墙间的连梁， 不应在计算的总体信息中将连梁的刚度大幅下调 ，使其设 计内力降低，应按普通框架梁要求，控制混凝土压区高度， 其粱端负弯矩钢筋可由塑性调幅70％一 80％来解决，按强 剪弱弯，强柱弱梁的延性要求进行计算。 6 结 语 通过以上的综合分析，对高层短肢剪力墙结构的设计 有一定的认识。 (1)由于短肢剪力墙的抗侧刚度相对较小，其最大适 用高度比一般剪力墙结构适当降低，7度和 8度抗震设计时 分别不应大于 100 m和60 m，设计时应布置适当数量的一 般剪力墙 ，或利用电梯问形成刚度较大的核心筒 ，以避免 结构在地震作用下产生较大的变形，同时也是大震作用下 结构不致倒塌的安全保证。 (2)计算时应采取三维计算方法进行结构的动力特性 分析和杆件内力计算。墙肢的数量和形式可根据建筑需要 用程序计算确定 ，建议采用墙元模型程序(SATWE)计算， 当结构复杂时可以采用薄壁杆系模型程序 (TAT)进行对比 分析。 (3)短肢剪力墙的抗震等级应比一般剪力墙结构的抗 震等级提高一级采用。当结构较柔、周期较长时，可适当 进行周期折减，以加大地震力，增加安全储备。 (4)相关试验及资料表明。短肢剪力墙结构的抗震薄 弱环节是建筑平面外边缘及角点处的墙肢，当结构有扭转 效应时，这些部位的墙肢首先开裂，应采取足够的抗震构 造措施。 ’ (5)高层短肢剪力墙结构在地震作用下，将以整体弯 曲变形为主。位于底部外围的小墙肢截面积小且承受较大 的竖向荷载，应适当加大肢厚或提高混凝土强度等级，加 强小墙肢的延性构造措施。 (6)短肢剪力墙结构中由于墙肢刚度相对减小，使连 梁受剪破坏的可能性增加，因此设计时应注意连梁强剪弱 弯的验算，保证弯曲破坏先于剪切破坏。 [ID：5843] 参 考 文 献 [1] 容柏生．高层住宅建筑中的短肢剪力墙结构体系[J]．建筑结 构学报，1997，(12)：l4一l9． [2] GB50011—2001，建筑抗震设计规范[s]． [3] JGJ3—2002，高层建筑混凝土结构技术规程[s]． [4] 黄小坤．高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3—2002)若干问 题的解说． (上接第4l页) 地震反应与混凝土结构屈服反应得出： (1)在 8度罕遇单向地震作用时，随着质量偏心距的 增大，结构的最大位移也相应增加，同时对结构扭转不规 则系数、绝对扭转响应的影响越显著； (2)混凝土材料进入弹塑性状态主要与材料的强度等 级有关 ，相对偏心距不大时影响相对较小，质量偏心距越 大塑性应力和塑性应值越大，靠近质量偏心距的梁、柱端 和节点处塑性区域较大，远离质心的范围相对小 ，可为结 构的抗震能力作出正确的评估，可有效的改进结构的抗震 设计； (3)为了保证“大震不到”，“规范”给出了各种结构的 层间弹塑性位移角限值，要求一些重要的结构应进行罕遇 地震下弹塑性变形验算。但事实有些偏心结构主要抗侧力 构件局部的塑性应力接近或达到材料极限强度而造成破坏 甚至倒塌，我们可以考虑对对这些重要构件的局部损伤度 进行评估，比如控制其最大的塑性转角。 [ID：5698] 参 考 文 献： [1] B．Mys1im8j，W．K．Tso．A strength distribution criterion for minimi- zing torsional response of asymmetric wall-type systems[J]．Earth- quake Engineering and Struetural Dynamies，2002，31(1)：99— 120． [2] K．G．Stathopoulos and S．A．Anagnostopoulos．Inelastic earth． quake response of single—story asymmetric buildings：anassessment of simplified shear—beam modle[J]．Earthquake Engineering and Struetural Dynamics，2003，32(1)：1813—1831． [3] Rafael Riddel1．Inelastic deformation response of SDOF systems subjected to earthquakes[J]．Earthquake Engineering and Strue— tural Dynamies，2002，31(1)． [4] Sadek，A．W．，Tso，W．K．Inelastic seismic response of simple ec- eentrie structures[J]．Earthquak7e Engineering mad Struetural Dy· namies，1985，13(2)． [5] 刘 畅．地震作用下偏心结构扭转反应研究[D]．长沙：湖南大 学，2007． [6] 蔡贤辉 ，邬瑞峰．偏心结构的弹塑性平扭耦合反应与地震动强 度[J]．应用数学和力学，2000，2(5)． [7] 王耀伟，黄宗明．影响偏心结构非弹性地震反应的主要因素分 析[J]．重庆大学学报，2001，(6)． [8】 戴君武，张敏政，黄 玉．偏心结构扭转振动研究中几个基本参 量的讨论[J]．地震工程与工程振动，2002，22(6)． [9] 鲍 华，徐礼华．用 ANSYS分析某高层建筑结构的非线性地震 反应[J]．武汉大学，2003，36(4)． [10]耀 伟．平面不规则结构非线性地震反应规律研究[D]．重庆： 重庆大学，2003． [I1]周晓松，斐星洙．单层偏心结构平扭耦合地震反应分析[J]．工 程建设与设计，2005，(3)． [12]徐培福，黄吉锋，韦承基．高层建筑结构的扭转反应控[J]．土 木工程学报，2006，39(7)． [13]刘 畅，邹银生．设计偏心距对偏心结构弹塑性扭转反应的影 响[J]．湖南大学学报，2007，34(4)． [14]陆新征．江见鲸．用 ANSYS Solld65单元分析混凝土组合构件 复杂应力．建筑结构[J]，2003，(6)． [15]张 鹏．再生混凝土框架结构抗震性能非线性分析[D]．济南： 山东科技大学，2005． [16]何晓字．偏心形式对偏心结构扭转耦联地震响应的分析．世界 地震工程[J]，2008，(9)．