浅析短肢剪力墙结构在小高层建筑中的应用
关键词：建筑；短肢剪力墙结构；布置；设计
随着社会的发展，越来越多的住宅小区出现，人们对高层住宅平面与空间的要求也越来越高，原来普通框架结构的露梁露柱、普通剪力墙结构对建筑空间的严格限定与分隔已不能满足人们对住宅空间的要求。于是，短肢剪力墙结构在原有剪力墙的基础上，吸收了框架结构的优点，在很大程度上克服了普通框架与普通剪力墙结构的缺点，受到了建筑师的肯定，更得到了住户与房开商的欢迎，逐步发展形成了能适应人们新的住宅观念的高层住宅结构型式，在现代住宅建筑应用中起到重要作用。
1短肢剪力墙结构的概况
（1）定义：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；
（2）必要条件：抗震设计时，短肢墙承受的第一振型底部地震倾覆矩小于结构总底部地震倾覆力矩的50%；
（3）短肢剪力墙结构的下限：当短肢墙较小时，如短肢墙承受的第一振型底部倾覆力矩不大于结构总底部地震倾覆力矩的15%～40%，则可以按普通剪力墙结构设计。下限规范没有规定，用户可以灵活掌握。如果剪力墙结构中，只有个别小墙肢，不应看成短肢剪力墙结构，而应作为一般剪力墙结构处理。
（4）优势：减少了剪力墙而代之以轻质砌体，结构自重相应减轻，从而减小结构整体刚度，增大振动周期，降低地震作用力；墙肢较短，布置灵活，可调整性大，容易满足建筑平面的要求；墙肢高宽比较大，延性较好，对抗震有利；连梁跨高比较大，以受弯破坏为主，地震作用下首先在弱连梁两端出现塑性铰，能起到很好的耗能作用。
2短肢剪力墙的布置
2.1布置原则
高层住宅一般不应全部采用为短肢剪力墙的结构体系。应根据建筑平面特点，利用中部由楼梯、电梯及管道井等形成的竖向交通区设置较多的剪力墙，组成一个较完整的筒体，是整个建筑受竖向荷载和抗侧力的主要部份，外围部份的竖向构件根据受力的需要和建筑平面布置，在间隔墙交节处布置适量的短肢剪力墙，目前常用L形，T形，也有少量十形，Z形，一形。为了构成整栋建筑的结构体系，各墙肢间布置连系梁，把这些短肢墙以及核心筒连成一个整体。
短肢剪力墙布置应遵循以下几点原则：①为了避免扭转带来的不利影响，使合力中心尽可能和刚度中心重合，减小偏心距，平面布置上宜使结构的平面形状和刚度均对称，两个主轴方向的布置应协调；②为了使墙肢与梁一起构成较规整、多跨的抗侧力体系，各墙肢应尽量对齐；③竖向布置上，应力求规则，均匀，避免有过大的外挑，内收，以及楼层刚度沿竖向突变。④建筑平面的收进和突出部分L/B≤1，且L/Bmax≤0.3。
2.2短肢墙体系的扭转效应
如果结构不对称，在地震作用下除了发生平移振动外，还会发生扭转振动。引起扭转振动的主要原因在于结构的质心和刚心不重合，质心和刚心的偏离会引起楼层相对平移，还引起楼层的转动，楼层扭转产生的位移和平移产生的位移叠加，可使层间位移难以满足要求，导致不利位置结构构件的破坏。结构的质心是地震惯性力合力作用点的位置，质心就是重心，重心可用材料力学求重心的方法求出。结构的刚心是结构抗侧力构件恢复力合力的作用点。因此，设计时可以通过调整短肢剪力墙的尺寸和布置来调整刚度大小和刚度中心的位置。
3设计时应注意的问题
（1）结构的动力特性分析和杆件内力计算采取三维计算方法。这时对于竖向构件又有墙元模型与薄壁杆模型，前者是板元与膜元的组合，是一种高精度力学模型；后者是一种简化模型，但精确度较低。
（2）短肢剪力墙住宅结构体系大多数是每层6～8户，各住宅单元围绕中部简体呈环抱状布置，整个结构基本对称，多为20～30层；当受用地限制时，每层3～4户，通常布置在简体的三边，层数多为12～20层。短肢墙结构不宜做得太高。
（3）要严格控制短肢墙的轴压比，尤其是无翼缘或端柱的一字形短肢剪力墙。据国内外研究结果显示，在承受压弯作用的剪力墙中，当处于小偏压状态时，墙的廷性较差。不仅如此，即使在大偏压状态下，若轴压比较大，混凝土受压区的边缘应力很高，如果混凝土没有约束或约束不够，可能混凝土先达到极限压应变，出现竖向裂缝，甚至压碎，使构件丧失变形能力和承载能力。因此规范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值，同时提出了按混凝土压应变大小设置的约束边缘构件的设计方法，这是十分必要的，只有这样才能保证短肢墙的延性。
（4）短肢墙截面形式不宜采用一字形，宜优先采用L、T、十字形等，外墙转角处不应采用一字形；为了有利于保证墙、梁的有效断面，同一构件各方向墙肢的厚度应尽可能相等，墙厚最好大于200mm。
（5）要正确判定短肢剪力墙结构墙肢平面内梁的属性规程规定：按连梁进行设计剪力墙开洞形成的跨高比小于5的连梁；按框架梁进行设计剪力墙开洞形成的跨高比不小于5的连梁。设计时比较合理的办法就是把短肢墙平面内的梁按规范进行分类设计，但在做抗震分析时，为了使梁截面设计易于满足规范的要求，同时也为了安全考虑，不应做连梁刚度的折减。
（6）短肢剪力墙结构体系的抗震薄弱环节是建筑外边缘及角点处的墙肢，特别是一字形短肢剪力墙，可出现先于与其相连的梁破坏的情况。因此，设计中，为了避免将一字形短肢剪力墙布置在建筑外边缘及角点处，应加强位于建筑外边缘及角点处的短肢剪力墙的延性抗震构造措施。
(7)应按规定提高短肢墙结构的抗震等级，以便提高其配筋量；短肢剪力墙结构较柔，周期较长，为了加大地震力，增加安全储备，应适进行周期折减。
4实例分析
4.1工程概况
某工程，总建筑面积为120000m2，框剪结构，由多栋多层和9～15层小高层住宅组成。以地上9层小高层为例，标准1层结构单元见图1，层高3m，9层上有个跃层为第10层，局部突出屋面部分为电梯机房，建筑总高为27.6m，总面积为4337.18m2。本工程建筑结构的安全等级为二级，抗震设防类别为丙类，按6度设防，地面粗糙度为C类，场地土类别为II类。
4.2结构方案布置
在本工程竖向布置中，力求规划均匀，避免有过大的外挑、内收，以及楼层刚度沿竖向突变，避免房屋发生扭转，整个房屋的抗侧刚度中心要靠近水平荷载合力的作用线；在结构平面布置中，尽量使结构平面形状和刚度均匀对称，短肢剪力墙双向布置，尽量拉通、对直。
根据建筑的平面布置，在房间、楼梯间、电梯间的四角，采用Z形、L形、T形或异形的墙肢。为了防止地基与结构形成共振或类共振,在设计过程中还应注意同周期的关系,使结构的第一自振周期避开场地土的卓越周期,这样既保证结构在风和地震荷载作用下的变形控制在规范允许的范围内，又能保证建筑物有相对合理的自振周期，做到结构设计经济、合理且实用。
经过多次调试分析，该工程得到4种结构方案，结构平面布置见图2。剪力墙截面厚度同相邻砌体填充墙厚度均为100mm。剪力墙、粱混凝土强度等均为C3O。板的混凝土强度等级均为C25，主要连梁的尺寸大都为200mmx400mm。标准居楼板厚度为120mm，顶层楼板厚度为150mm，别于肢长肢厚比小于4.0的异形柱，按规范要求，短肢剪力墙的肢长肢厚比控制在5～8范围内，一般剪力墙的肢长肢厚比均小于8。
由于原方案的剪力墙过多，使底部剪力过大，使结构很不经济，同时布置了少量钢筋混凝土柱子，使结构不是很合理。故方案1在一般剪力墙结构的基础上去掉了构造柱并减少了少量的剪力墙（见图二2a）。
在方案1基础上适当的减少一些剪力墙，从而使方案更经济。在调试过程中由于F轴剪力墙较少，从而使电梯问X方向的剪力墙承受过大的剪力造成超筋，故把电梯间X方向的剪力墙开洞口，使结构X向的刚度减少（见图2b）。
在方案2的基础上改善了Y方向的刚度（方案3），使两个方向的刚度相接近，使结构更合理且均匀对称(见图2c)。
虽然在多层、高层住宅设计中剪力墙结构应尽量避免一字型，但由于该结构的实际情况，在方案3的基础上把Y向的一些T型剪力墙变成一字型，所以采用了部分一字型（见图2d）。
备注：a（方案1）；b（方案2）；c（方案3）；d（方案4）
4.3短肢剪力墙结构经济性分析
为了与工程实际情况相符，假设混凝土的成本与混凝土的体积、钢筋的成本与钢筋的体积都成正比。在总造价上，暂不考虑楼板及楼板等工程的造价影响。钢筋4200元/t，材料的单方造价混凝土为430元/m3，表1为方案的经济指标汇总，由表1知，方案4比一般剪力墙结构在总造价上要节约17.8％，使材料得到了充拧的发挥。
结束语
随着社会的发展，越来越多的住宅小区出现，新型墙体材料的不断开发和应用，短肢剪力墙结构在原有剪力墙的基础上，吸收了框架结构的优点，其在高层住宅中的应用将有着广阔的发展前景。
参考文献：
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[3]宋玉辉.小高层建筑短肢剪力墙结构设计[J].中外建筑，2009，（7）.
