小高層建筑短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

申請(qǐng)免費(fèi)試用、咨詢電話：400-8352-114

摘 要:本文結(jié)合工程實(shí)例,詳細(xì)闡述了小高層住宅短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)方案布置,并對(duì)上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 計(jì)算 結(jié)果與 經(jīng)濟(jì) 性對(duì)比分析進(jìn)行了深入探討,以說(shuō)明小高層建筑短肢剪力墻的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。 

  關(guān)鍵詞:小高層建筑;短肢剪力墻;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);剪重比    1工程概況    湖南株洲某住宅小區(qū)由多棟多層和9～15層小高層住宅組成,框剪結(jié)構(gòu),總建筑面積為120000m 2 。以地上9層小高層為例,標(biāo)準(zhǔn)1層結(jié)構(gòu)單元見圖1,層高3m;9層上有個(gè)躍層為第10層,局部突出屋面部分為電梯機(jī)房。建筑總面積為4337.18m 2 ,建筑總高為27.600m。本工程建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí),抗震設(shè)防類別為丙類,按6度設(shè)防,地面粗糙度為C類,場(chǎng)地土類別為Ⅱ類。    2結(jié)構(gòu)方案布置分析與選擇    原結(jié)構(gòu)方案采用一般的剪力墻結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)形式對(duì)于房屋高度不太大的小高層建筑來(lái)說(shuō),這種結(jié)構(gòu)會(huì)造成剛度過(guò)大,重量增加,導(dǎo)致地震反應(yīng)過(guò)強(qiáng),使得上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)造價(jià)提高。所以,為了有效提高經(jīng)濟(jì)指標(biāo),經(jīng)多方案論證,決定采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系。    短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是指墻肢截面高度為厚度5～8倍的剪力墻結(jié)構(gòu),和一般剪力墻相比,這種結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)點(diǎn)在于:    1)墻肢較短,布置靈活,可調(diào)整性大,容易滿足建筑平面的要求。    2)減少了剪力墻而代之以輕質(zhì)砌體,結(jié)構(gòu)自重相應(yīng)減輕,從而減小結(jié)構(gòu)整體剛度,增大振動(dòng)周期,降低地震作用力。    3)墻肢高寬比較大,延性較好,對(duì)抗震有利。    4)連梁跨高比較大,以受彎破壞為主,地震作用下首先在弱連梁兩端出現(xiàn)塑性鉸,能起到很好的耗能作用。    5)墻肢的承載力得到了較充分的發(fā)揮。    目前,《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2002已對(duì)短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)作出了規(guī)定。    在本住宅結(jié)構(gòu)平面布置中,盡量使結(jié)構(gòu)平面形狀和剛度均勻?qū)ΨQ,短肢剪力墻雙向布置,盡量拉通、對(duì)直,豎向布置中,力求規(guī)劃均勻,避免有過(guò)大的外挑、內(nèi)收,以及樓層剛度沿豎向突變,使整個(gè)房屋的抗側(cè)剛度中心靠近水平荷載合力的作用線,以免房屋發(fā)生扭轉(zhuǎn)。    根據(jù)建筑的平面布置,在房間、樓梯間、電梯間的四角,采用Z形、L形、T形或異形的墻肢。在設(shè)計(jì)過(guò)程中還應(yīng)注意同周期的關(guān)系,使結(jié)構(gòu)的第一自振周期避開場(chǎng)地土的卓越周期,以免地基與結(jié)構(gòu)形成共振或類共振,既保證結(jié)構(gòu)在風(fēng)和地震荷載作用下的變形控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi),又要保證建筑物有相對(duì)合理的自振周期,做到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)、合理且實(shí)用。    本方案根據(jù)上述分析并經(jīng)過(guò)多次調(diào)試,得到了4種結(jié)構(gòu)方案,結(jié)構(gòu)平面布置見圖2。剪力墻截面厚度同相鄰砌體填充墻厚度均為100mm。剪力墻、梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。板的混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C25。主要連梁的尺寸大都為200mm×400mm。標(biāo)準(zhǔn)層樓板厚度為120mm,頂層樓板厚度為150mm,有別于肢長(zhǎng)肢厚比不大于4.0的異形柱,短肢剪力墻的肢長(zhǎng)肢厚比按規(guī)范要求控制在5~8范圍內(nèi),一般剪力墻的肢長(zhǎng)肢厚比均大于8。值得注意的是,對(duì)肢長(zhǎng)肢厚比為4~5范圍內(nèi)的墻肢,目前規(guī)范尚無(wú)明確條文規(guī)定其構(gòu)件類型,故設(shè)計(jì)時(shí)建議不要采用。    由于原方案的剪力墻過(guò)多,使底部剪力過(guò)大,使結(jié)構(gòu)很不經(jīng)濟(jì),同時(shí)布置了少量鋼筋混凝土柱子,使結(jié)構(gòu)不是很合理。故方案1在一般剪力墻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上去掉了構(gòu)造柱并減少了少量的剪力墻(見圖2a)。    在方案1基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)臏p少一些剪力墻,從而使方案更經(jīng)濟(jì),在調(diào)試過(guò)程中由于F軸剪力墻較少,從而使電梯間X方向的剪力墻承受過(guò)大的剪力造成超筋,故把電梯間X方向的剪力墻開洞口,使結(jié)構(gòu)X向的剛度減少。(見圖2b)    方案3是在方案2的基礎(chǔ)上改善了Y方向的剛度,使兩個(gè)方向的剛度相接近,使結(jié)構(gòu)更合理且均勻?qū)ΨQ(見圖2c)。    在方案3的基礎(chǔ)上把Y向的一些T型剪力墻變成一字型,雖然在多層、高層住宅設(shè)計(jì)中剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量避免一字型,但由于該結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況,所以采用了部分一字型(見圖2d)。    3上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果分析    3.1計(jì)算結(jié)果分析    從構(gòu)件力學(xué)特性上來(lái)說(shuō),短肢剪力墻的肢長(zhǎng)與肢厚比≥5.0,更接近于剪力墻,故計(jì)算時(shí)將短肢剪力墻作為剪力墻而不是柱考慮應(yīng)更合理。因此,結(jié)構(gòu)整體計(jì)算采用 中國(guó) 建筑 科學(xué) 研究院開發(fā)的SATWE程序(2003年版)進(jìn)行。SATWE采用的是在每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度的殼元基礎(chǔ)上凝聚而成的墻元模擬剪力墻墻元不僅具有平面內(nèi)剛度也具有平面外剛度,可以較好地模擬工程中剪力墻的真實(shí)受力狀態(tài),計(jì)算結(jié)果較精確;同時(shí),對(duì)樓板SATWE可以考慮其彈性變形。雖然主樓結(jié)構(gòu)平面較規(guī)則,立面也無(wú)剛度突變現(xiàn)象,但由于剛度較大的電梯井處筒體有點(diǎn)偏置,會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的影響,為了計(jì)算準(zhǔn)確,地震作用計(jì)算考慮了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)和5%偶然偏心的影響,取了27個(gè)振型計(jì)算。1)自振周期的控制    考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時(shí)的自振周期( 計(jì)算 時(shí)自振周期折減系數(shù)取0.8)如表1(只列了前6個(gè))所示。從表1可得,方案4結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期T3=0.9959s,平動(dòng)為主的第一自振周期T1=1.1656s,T3/ T1=0.8540.9,滿足(JGJ3-2002)    第4.3.5條的規(guī)定。    2)結(jié)構(gòu)位移的控制    最大層間位移角(應(yīng)≤1/1000)、最大水平位移與層平均位移的比值(不宜大于1.2,不應(yīng)大于1.5)及最大層間位移與平均層間位移的比值(不宜大于1.2,不應(yīng)大于1.5)見表2。從中可以看出,結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載和地震作用下的位移均能很好地滿足規(guī)范限值。    3)剪重比控制    剪重比是反映結(jié)構(gòu)承受地震作用大小的指標(biāo)之一,地震力計(jì)算不能偏大,但也不能太小。因?yàn)槎讨袅Ρ旧淼挚沟卣鸬哪芰^差,如果短肢剪力墻分配的地震力太大,則很有可能不滿足要求。本工程X方向的最小剪重比為4.50%,Y方向的最小剪重比為4.62%,根據(jù)“抗震規(guī)范”(5.2.5)條要求的X、Y向樓層最小剪重比均為3.20%,所以各層均滿足要求。    4)軸壓比是體現(xiàn)墻肢抵抗重力荷載代表值作用下的能力,“規(guī)范”對(duì)短肢剪力墻(尤其一字墻肢)要求更高一些。上述工程出現(xiàn)的短肢剪力墻軸壓比在0.20~0.45之間,軸壓比小于規(guī)范規(guī)定值。    3.2短肢剪力墻結(jié)構(gòu) 經(jīng)濟(jì) 性分析    為了與工程實(shí)際情況相符,假設(shè)混凝土的成本與混凝土的體積成正比,鋼筋的成本與鋼筋的體積成正比。在總造價(jià)上,暫不考慮模板及樓板等工程的造價(jià)影響。材料的單方造價(jià)混凝土為430元/m 3 ,鋼筋4200元/t。表4為方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)匯總,由表4知,方案4比一般剪力墻結(jié)構(gòu)在總造價(jià)上要節(jié)約17.8%,使材料得到了充分的發(fā)揮。    4結(jié) 語(yǔ)    本文針對(duì)小高層住宅的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu),在比普通剪力墻結(jié)構(gòu)方案節(jié)省投資17.8%的情況下,使結(jié)構(gòu)受力更合理,整體變形能力和結(jié)構(gòu)吸能能力對(duì)抗震更為有利。本工程剪力墻結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)是建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢,因而設(shè)計(jì)時(shí)在以上部位布置L型或一字型短肢墻,受條件所限也出現(xiàn)了少量一字型短肢墻,設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格控制其軸壓比0.6,且相差不應(yīng)太懸殊,避免墻肢應(yīng)力差異過(guò)大。高層建筑中的連梁是一個(gè)耗能構(gòu)件,對(duì)抗震不利。多、高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中允許連梁的剛度有所下降。但應(yīng)注意短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中,墻肢剛度相對(duì)較小,連接各墻肢的梁已類似普通框架梁,而不同于一般剪力墻間的連梁,不應(yīng)在計(jì)算的總體中將連梁的剛度大幅下調(diào),使其設(shè)計(jì)內(nèi)力降低,應(yīng)按普通框架梁的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。     參考  文獻(xiàn) :    [1] 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ3- 2002)〔S〕1 北京: 中國(guó) 建筑 工業(yè) 出版社,20021.    [2] 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011-2001)〔S〕1北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2001,1.    [3] 李國(guó)勝.高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版)〔M〕北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003,1.