短肢剪力墙结构设计的若干方面探讨

随着人们对住房平面布局，住房使用空间等的要求越来越高，原有的普通框架结构、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日益增长的对住宅空间灵活布置、使用面积比例大的需求。于是在原有普通剪力墙的基础上，吸收了框架结构的精华，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，即“短肢剪力墙结构”和“异形柱框架结构”型式。短肢剪力墙结构是介于普通剪力墙结构和异形柱框架结构的一种特殊结构，《高规》规定短肢剪力墙是指截面厚度不大于300mm、各肢截面高度与厚度之比的最大值大于4但不大于8的剪力墙[1]，常用的有T形、L形、十字形、Z字形、折线形和一字形。

1 短肢剪力墙结构体系特点

（1） 结合建筑平面，利用间隔墙位置来布置竖向构件，基本不与建筑使用功能发生冲突；

（2） 结构布置灵活多变，墙肢位置、数量和肢长都可灵活布置，可选楼盖类型较多；

（3） 可根据抗侧力的需要来确定短肢墙的数量、位置和肢长；

（4） 相对于普通剪力墙结构，短肢墙墙肢短，减少的剪力墙的部分以轻质墙体代替，既降低了建筑物自重和结构刚度，也降低了工程造价[2]；

（5） 短肢墙高宽比增大，延性较好，其破坏以弯曲破坏为主。 2 短肢剪力墙结构布置原则

（1） 短肢剪力墙的数量应适中，结构太柔或太刚都不好，满足结构的抗侧力和空间荷载的要求即可；

（2） 短肢剪力墙的布置应均匀、合理、对称，力求质心与刚心重合，各墙肢轴力不应相差过大，应尽量避免布置一字形剪力墙；

（3） 短肢墙较多时必须设置筒体或普通剪力墙，形成短肢墙与筒体或普通剪力墙共同抵抗水平力的結构受力体系，筒体应尽量居中布置，普通剪力墙的布置宜均匀分散，力求结构质心与刚心重合；

（4） 短肢墙墙肢净间距不宜大于6.6m，平面外边缘及拐角处，特别是外凸部分是短肢墙的抗震薄弱部位，应布置必要的短肢墙，这样既加强了梁的支撑，又起到了分散荷载的作用[3]；

（5） 各墙肢应尽量对齐、拉直，使之与连梁一起构成较规整且共有连续跨数较多的抗侧力片，特殊情况下也允许在局部错开，再采取相应的构造措施予以加固。

3 短肢剪力墙结构的计算

短肢剪力墙的结构布置不规则，形式多变，受力复杂，为求精确起见，宜采用三维有限元分析方法进行结构受力分析。目前常用的有三维杆-系薄壁柱空间分析方法（TAT、TBSA）和空间杆-墙组元分析方法（TBSSAP、SATWE、TUS）。国内应用较多的是中国建筑科学研究院研发的TAT和SATWE三维有限元分析方法。

3.1 TAT

TAT是采用空间杆单元模拟梁柱等杆件、采用薄壁柱单元模拟剪力墙进行结构计算分析的三维空间分析方法[4]。TAT计算时应对剪力墙结构做合理的简化，最常用的方法就是在剪力墙上开洞，剪力墙的上下洞口应对应分布，即在两节点之间的上下各层墙对应部位都有或都无洞口，洞口的大小可以不同。将开了洞的剪力墙视为薄壁柱单元、洞口上下部分剪力墙视为连系梁单元进行模拟分析，开洞使剪力墙形式上更类似薄壁柱模型，分析得到的结果也更贴近实际。TAT在结构分析中，对楼板采用平面内刚度无限大，平面外刚度为零的假定，此假定一方面大大减少了节点自由度，提高了计算效率，另一方面对规则结构即楼板无大开洞、无错层且板厚适中的常规结构计算误差很小。

3.2 SATWE

SATWE是采用空间杆单元模拟梁柱等杆件、采用在壳元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙进行结构计算分析的三维空间分析方法。对于大尺寸或有洞口剪力墙，程序会自动将其网格划分为许多小壳元，再分别计算每个小壳元的刚度之后叠加，然后用静力凝聚原理将由网格划分而增加的墙元内部自由度全部消去，将其刚度凝聚到边节点上，从而保证了墙元的精度和有限的出口自由度。壳墙元不仅有平面内刚度还有平面外刚度，与剪力墙的实际受力状态较吻合，能够较好地模拟剪力墙的工作状态。

4 短肢剪力墙结构的抗震构造要求[1]

（1） 短肢剪力墙结构房屋最大适用高度H应比普通剪力墙结构适当降低，7度设防时， ，8度设防（0.2g）时， ，8度设防（0.3g）时， ；

（2） 水平地震力作用下，筒体和一般剪力墙承受的底部地震倾覆力矩不宜小于结构底部总倾覆力矩的50%；

（3） 短肢剪力墙的截面厚度除应满足普通剪力墙的截面厚度构造要求外，底部加强部位还需大于200mm，其他部位必须大于180mm；

（4） 短肢剪力墙的轴压比：抗震等级为一、二、三级时分别不宜大于0.45、0.50、0.55，一字形截面短肢墙轴压比限值应相应降低0.1；

（5） 短肢剪力墙除底部加强部位外的各层剪力设计值增大系数为：一级1.4、二级1.2、三级1.1；

（6） 短肢剪力墙截面的全部纵筋最小配筋率：一、二级底部加强部位1.2%、其他部位1.0%，三、四级底部加强部位1.0%、其他部位0.8%；

（7） 不宜采用一字形剪力墙，不宜在一字形剪力墙上布置平面外与之相交的单侧楼面梁[1]。

5 结构转换层布置

当高层结构的底部需要布置大空间时，上部剪力墙落地不能满足间距要求，此时需要设置结构转换层以减少下部竖向受力构件，对于转换层的布置，应需满足下列要求：

（1） 尽量不采用高位转换或者更高位转换，《高规》规定：8度时不宜超过3层，7度时不宜超过5层，6度时可适当提高[1]；

（2） 转换结构构件以采用转换梁为主，最好直接承托上部竖向受力构件； （3） 上部剪力墙应尽量布置在框支柱或转换梁上，以减少力传递的二次转换，使结构受力更明确；

（4） 转换后应加强转换层下部楼层刚度，如增大各构件截面面积，避免在转换层以下出现薄弱层[5]。

6 实例

图1所示为一20层住宅结构平面，下部四层为公共场所，在四层平面设置转换层，核心筒上下贯通，短肢墙以T形、L形为主，布置均匀、对称，且基本布置在框支柱和转换梁上，另外还布置了部分普通剪力墙，形成了短肢墙与核心筒和普通剪力墙共同抵抗水平力的结构受力体系。

7 小结

由于短肢剪力墙布置灵活多变、不占用建筑使用空间、自重小，且在住宅中采用短肢墙体系不会出现露梁露柱现象，若能掌握正确的受力分析方法，再加以合理的布置，在多、高层住宅中将会有不可限量的应用前景。

参考文献：

[1] JGJ3-2010.高层建筑混凝土结构技术规程[S]

[2] 谭晓明.短肢剪力墙结构在高层住宅中的运用[J].甘肃科技，2006，22（2） [3] 刘春生，孙洪斌.浅谈小高层住宅中短肢剪力墙结构的设计与应用[J].中国新技术新产品，2011年第5期