浅析小高层住宅设计中的剪力墙结构设计

　　摘要:下文结合工程实例，探讨了小高层住宅设计中的剪力墙结构设计。结果表明,工程抗震性能较好,结构体系安全可行。

　　关键词:剪力墙设计;概念设计;布置

　　1工程概况

　　本工程为一小区住宅楼工程,根据地质勘察报告及经过实地调查，地基无不良地质现象存在。此工程是设计使用年限为50年、建筑耐火等级为2级的住宅建筑。抗震设防烈度为7度,主体为剪力墙结构,裙房为框架结构。地基基础设计等级为乙级,主体为筏板基础,裙房为柱下独立基础和墙下条形基础。总建筑面积为 6485.72m2,东西长约42.0m,南北长约15.0m,主体为地面12层带1层地下室,右边裙房为地面1层带1层地下室,前边裙房为地面1层。下文仅探讨主体的剪力墙结构设计。

　　2概念设计与总体指标控制

　　小高层住宅剪力墙结构由于住宅建筑空间分割面积较小,很多设计人员对剪力墙布置往往有一定的随意性,电算通过后就不加调整地去做施工图,实际上如此结构布置很难做到安全、合理、经济。概念设计的目标是使整体结构能发挥耗散地震的作用,避免出现敏感的薄弱部位导致过早地破坏,因此剪力墙的布置应以此为原则精心布置,方可使结构在整体上安全合理。目前很多设计剪力墙满布,造成结构体系刚度过大,引起地震力加大,虽然满足强度要求,但混凝土用量大,钢筋用量也随之加大(有数据显示,有的设计仅室外地坪以上钢筋用量就达到60kg/m2),并且加大后的地震力有时集中于某些薄弱部位,造成安全隐患。而在某些设计中剪力墙布置又过少,结构体系中梁系互相搭接,以至传力途径不明确,同样造成安全隐患。概念设计具体到工程设计中需要结构设计人员布置剪力墙时在结构平面上尽量使x向和y向抗侧刚度接近,剪力墙不宜过多以免刚度过大,在梁系布置上也应力求受力明确,传力路径简捷,避免梁系为多重搭接传力,造成安全隐患。在竖向布置上也要力求均匀,避免少数楼层出现敏感薄弱部位,使结构整体形成均匀的抗侧力结构体系,在此基础上,结合电算才能作出安全、经济、合理的结构。在布置该楼主体剪力墙时,x向剪力墙墙肢较短,y向剪力墙墙肢较长,墙肢尽量多做成带翼缘的L形、T形等,不做“一”字形短墙;高厚比多在8以上,通过这些措施使结构总体指标控制在规范允许范围内。总体指标对建筑物的总体判别十分有用。

　　譬如说若刚度太大,周期太短,导致地震效应增大,造成不必要的材料浪费;但刚度太小,结构变形太大,影响建筑物的使用。对于小高层住宅合理的刚度 μ/H取1/1000~1/2500,刚重比在10~15之间,周期约为层数的0.06~0.08倍之间。另外,对结构布置扭转的控制,在考虑偶然偏心影响的地震作用下,楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移不宜大于该楼层平均值的1.2倍,不应大于该楼层平均值的1.5倍(该处的1.2和1.5表示取2 位有效数字后的值,如:1.24取2位有效数字为1.2)。该工程计算结果x方向地震作用的楼层最大层间位移为1/1324,y方向地震作用的楼层最大层间位移为1/1594,均小于《高层建筑混凝土结构技术规程》[2](以下简称《高规》)第3.7.3条及《建筑抗震设计规范》[3](以下简称《抗规》)第5.5.1条要求的1/1000;x方向的位移比为1.12,y方向的位移比为1.21,均不大于1.2,满足《高规》第3.4.5条及《抗规》第3.4.3条的要求。刚重比为10.8,自振周期为1.0123s,均在合理范围内。

　　3基础的设计

　　当前，剪力墙体系小高层由于考虑到埋置深度的要求,一般都设有地下室。基础多采用筏板基础。合理选择筏板厚度及边缘挑出长度也直接影响结构整体安全和工程造价。该本工程上部12层带1层地下室,根据勘察报告,取筏板厚为1000mm,经细算后筏板可减至800mm,经济性明显。因此,基础选型应作方案比较,才能选定经济合理的方案。而对于筏板厚度的取值,对小高层来说一般筏板厚初选时可按楼层数计,即每层按50mm厚增加。如12层建筑则初选可取 600mm厚试算,试算后根据筏板配筋情况再逐步加大或减小。筏板厚度及配筋与地基持力层的承载力和压缩模量有关,同时应考虑桩冲切、角桩冲切、墙冲切及板配筋等多方面的因素进行优化调整才能取得较满意的结果。另外,筏板长度的设置也需进一步研究探讨,由于考虑地下室的使用合理性,常规采用设置后浇带来解决底板超长引起的收缩及温度裂缝,后浇带的作用是明显的,但也给施工带来了不少麻烦,甚至由于处理不当而引起后浇带漏水及裂缝。而有些高层,长宽均达百米以上,中间就设置几条后浇带,也没有其他措施是不妥当的。目前可采用添加剂以补偿混凝土的因水化热引起膨胀与收缩,或采用纤维混凝土等方法在一定范围内可不设或少设后浇带,并且对所设后浇带采取必要的保护和加强措施。该工程长50.75m,大于规范要求的45m,故筏板基础采后浇带来解决结构超长的问题, 效果良好。

　　4剪力墙的设计

　　4.1剪力墙科学合理的布置。剪力墙布置必须均匀合理,使整个建筑物的质心和刚心趋于重合,且x,y两向的刚重比接近。在结构布置应避免“一”字形剪力墙,若出现则应尽可能布置成长墙(h/w>8);应避免楼面主梁平面外搁置在剪力墙上,若无法避免,则剪力墙相应部位应设置暗柱,当梁高大于墙厚的2.5倍时,应计算暗柱配筋,转角处墙肢应尽可能长,因转角处应力容易集中,有条件时两个方向均应布置成长墙;规范中对普通墙及短肢墙的界定是墙高厚比 8倍及8倍以下为短肢墙,大于8倍则为普通墙。该工程剪力墙布置后,刚心和质心x向在同一位置,y向相差0.5m,大大减小了扭转效应;主梁搁置在剪力墙上的,在相应部位设置暗柱,以控制剪力墙平面外的弯矩。

　　4.2剪力墙配筋及构造

　　4.2.1剪力墙配筋。该工程剪力墙一层墙厚(除电梯间四周)为250mm,其余地面以上墙厚均为200mm,水平钢筋放在外侧,竖向钢筋放在内侧。六层以下水平筋Φ10@200双层双向,双排钢筋之间采用Φ6@400拉筋;六层以上Φ8@200双层双向,双排钢筋之间采用Φ6@600拉筋。地下部分外围墙体竖向配筋14@200为主要受力钢筋,水平筋则构造配置,该工程均取12@150。地下部分墙体配筋大多由水压力、土压力产生的侧压力控制,简化计算后由竖向筋控制。为增大计算墙体的有效高度,可将地下部分墙体的水平筋放在内侧,竖向钢筋放在外侧。地下部分墙体钢筋保护层按《地下工程防水技术规范》第4.1.6条规定:迎水面保护层应大于50mm。

　　4.2.2剪力墙边缘构件的设置。试验研究表明,钢筋混凝土设置边缘构件后与不设边缘构件的矩形截面剪力墙相比,其极限承载力提高约40%,耗能能力增大20%,且增加了墙体的稳定性,因此一般一、二级抗震设计的剪力墙底部加强部位及其上一层的墙肢端部应设置约束边缘构件;其余剪力墙应按《高规》第 7.2.16条设置构造边缘构件。有工程技术人员对剪力墙约束边缘构件配箍特征值偏大的问题进行了研究,对某具体工程计算结果中在墙肢轴压比小于0.25 情况下计算配筋仅为构造配筋,而约束边缘构件配筋则高达40cm2,造成设计时钢筋配置困难,施工难度更大,虽然在小高层设计不常见,但上述情况也反映出配箍特征值偏大的实际情况,故对剪力墙的配筋应首先区分剪力墙的受力特性及类别,即普通剪力墙(长墙)、短肢剪力墙、小墙肢和一个方向长肢墙而另一方向属短肢墙来区别对待。对于普通剪力墙,其暗柱配筋满足规范要求的最小配筋率,建议加强区0.7%,一般部位0.5%;对于短肢剪力墙,应按《高规》第 7.2.2条控制配筋率，加强区1.2%,一般部位1.0%;对于小墙肢其受力性能较差,应严格按《高规》控制其轴压比,宜按框架柱进行截面设计,并应控制其纵向钢筋配筋率加强区1.2%,一般部位1.0%;而对于一个方向长肢另一方向短肢的墙体,设计中往往按长肢墙进行暗柱配筋并不妥当,建议有两种方法:其一,计算中另一方向短肢不进入刚度,则配筋可不考虑该方向短肢影响;其二,计算中短肢计入刚度,则配筋中应考虑该方向短肢的不利影响。建议该短肢配筋率在加强区取1.0%,一般部位可取0.8%。该工程地面一、二层设置构造边缘构件,纵筋最大直径为Φ14,加强区暗柱配筋率最大为1.45%,最小为 0.8%;三层及三层以上为构造边缘构件,构造边缘构件纵筋配筋率普遍在0.6%~0.7%。

　　4.2.3剪力墙的连梁。剪力墙中的连梁跨度小,截面高度大,虽然在计算中对其刚度进行折减,但在地震作用下弯矩、剪力仍很大,有时很难进行设计,如果加大连梁高度,配筋值有时反而更大。连梁高度一般是从洞顶算到上一层洞底或从洞顶算到楼面标高。对于门洞,上述所示情况梁的高度是一样的;但对于窗洞, 连梁高度如果从窗洞算到上一层窗底,有时则高度太高,这样高跨比太大,并且与计算图形不符,相应配筋亦较大,不合理。所以连梁高度计算与设计统一规定从洞顶算到楼板面或屋面,对于窗洞楼面至窗台部分可用轻质材料砌筑。对于窗台有飘窗时,可再增加1根梁,2根梁之间用轻质材料填充。连梁配筋应对称配置,腰筋同墙体水平筋。该工程连梁截面均为墙厚×400mm,大部分连梁纵筋为4Φ14,箍筋为Φ8@100;个别连梁纵筋为4Φ16,箍筋为Φ8@100。

　　4.2.4、剪力墙的暗梁。目前各设计院在剪力墙的楼层处均设置暗梁,而对暗梁的作用及配筋亦各有理解。对于框架-剪力墙结构,如剪力墙周边仅有柱而无梁时,宜设置暗梁,并且要求剪力墙两端是明柱,这是因为周边有梁柱的剪力墙,抗震性能要比一般剪力墙要好。剪力墙结构则没有这方面的要求,在墙板交接处设置暗梁对加强墙体整体性作用还是有利的,但究竟有多大则无从确定。因此在楼层位置设置暗梁虽然可行,但没有必要设置太大断面及配筋。该工程在地下室挡土墙顶面设置暗梁,断面取墙厚×500mm,配筋上下各2Φ18。

　　5结语

　　总之，剪力墙结构是由一系列纵向、横向剪力墙及梁、板所组成的空间结构,承受竖向荷载和水平荷载,是高层建筑中常用的结构形式。由于纵向、横向剪力墙在其自身平面内的刚度都很大,在水平荷载的作用下,侧移较小,因此这种结构抗震及抗风性能都较强,适宜于建造层数较多的高层建筑。结构工程师应该在剪力墙设计中把握要点,使结构安全、经济。

　　参考文献:

　　[1]国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010—2010,北京:中国建筑工业出版社,2011。

　　[2]中国建筑科学研究院。JGJ3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》。北京:中国建筑工业出版社,2011。

　　[3]国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011—2010,北京:中国建筑工业出版社,2010。

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