有轉(zhuǎn)角窗高層住宅短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

許劍鋒 王 輝

0 引言

隨著社會(huì)發(fā)展，城市土地資源稀缺，高層建筑紛紛涌現(xiàn)，其中高層住宅發(fā)展也十分迅速。高層住宅結(jié)構(gòu)形式多樣，有一般框架結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)，還有剪力墻結(jié)構(gòu)等。現(xiàn)在人們的住宅觀念不斷更新，對(duì)居住空間的舒適度要求越來越高，對(duì)原普通框架結(jié)構(gòu)和普通剪力墻結(jié)構(gòu)中露梁露柱和對(duì)建筑空間的限制越來越不滿。于是結(jié)合剪力墻結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，形成了兩種新型的結(jié)構(gòu)形式——短肢剪力墻結(jié)構(gòu)和異形柱框架結(jié)構(gòu)。但異形柱框架結(jié)構(gòu)由于受力比較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)計(jì)算工作量大，截面設(shè)計(jì)可靠性不高，國(guó)家還未編制相應(yīng)規(guī)范，目前只有某些省市有異形柱框架的設(shè)計(jì)規(guī)程供參考。而短肢剪力墻結(jié)構(gòu)則相對(duì)成熟，新版的JGJ 3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)提及短肢剪力墻的概念并對(duì)其設(shè)計(jì)作了詳細(xì)且嚴(yán)格的規(guī)定，確保結(jié)構(gòu)有可靠的安全保證。

1 短肢剪力墻的概念

《高規(guī)》中規(guī)定墻肢截面厚度不大于300 mm、各肢截面高度與厚度之比為4～8的剪力墻為短肢剪力墻。

2 短肢剪力墻的優(yōu)點(diǎn)

1)無凸出梁柱，居住空間舒適，便于使用。

2)空間分割布置靈活，能最大限度的滿足建筑設(shè)計(jì)的要求，為建筑設(shè)計(jì)也提供了更為廣闊的發(fā)展空間。

3)墻的數(shù)量，肢長(zhǎng)可由抗側(cè)力的需要確定，剛度中心也可以根據(jù)需要作調(diào)整，讓結(jié)構(gòu)方案更加合理。

3 剪力墻的布置

1)在兩個(gè)主軸方向應(yīng)各布置一定數(shù)量的剪力墻，所有剪力墻形成的剛心宜與建筑物形心盡量重合，以減少地震作用時(shí)扭轉(zhuǎn)變形的不利影響。

2)設(shè)計(jì)時(shí)一般利用電梯井及樓梯間形成剛度較大的筒體，另外還要布置一定數(shù)量的一般剪力墻，避免短肢剪力墻過多，以彌補(bǔ)短肢剪力墻抗震性能較差，地震區(qū)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不多的不安全因素?！陡咭?guī)》中7．1．8條規(guī)定:抗震設(shè)計(jì)時(shí)，在規(guī)定的水平地震作用下，短肢剪力墻承擔(dān)的底部?jī)A覆力矩不宜大于結(jié)構(gòu)底部總地震傾覆力矩的50%。另外《高規(guī)》中對(duì)短肢剪力墻的抗震等級(jí)、軸壓比、配筋率等都有較高要求和嚴(yán)格限制。

3)東西山墻及端部開間的外縱墻及剛度中心附近應(yīng)布置一般剪力墻。

4)剪力墻宜上下連續(xù)布置，避免剛度突變。

5)一般情況下應(yīng)避免剪力墻墻肢平面外有單向樓面梁，在不可避免時(shí)，結(jié)合住宅實(shí)際情況，應(yīng)在墻梁相交處設(shè)置暗柱，并按計(jì)算配筋，或在剪力墻內(nèi)設(shè)置型鋼。不過正常情況下設(shè)置暗柱能滿足設(shè)計(jì)要求。

4 剪力墻的設(shè)計(jì)

1)短肢剪力墻的形狀應(yīng)采用“L”形、“T”形、“十”字形、槽形等，不宜采用延性及平面外穩(wěn)定性均不利的“一”字形。原先設(shè)計(jì)多層住宅時(shí)門垛寬度一般設(shè)計(jì)為120 mm，但在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的高層住宅中，若門垛處布置短肢剪力墻，門垛寬度仍設(shè)計(jì)為120 mm，那么根據(jù)《高規(guī)》中7．2．15 和7．2．16 條之規(guī)定，此處短肢剪力墻雖然帶有門垛，但仍為“一”字形剪力墻，因?yàn)榇颂庨T垛的尺寸不能形成有效的約束邊緣構(gòu)件或構(gòu)造邊緣構(gòu)件。

以抗震7度設(shè)防地區(qū)，抗震等級(jí)為二級(jí)為例:短肢剪力墻厚度取200 mm時(shí)，按《高規(guī)》中的規(guī)定，門垛寬度至少設(shè)計(jì)為300 mm較適合。

2)一、二級(jí)抗震設(shè)計(jì)的剪力墻底部加強(qiáng)部位及其上一層的剪力墻墻肢端部的邊緣構(gòu)件稱為約束邊緣構(gòu)件，設(shè)計(jì)應(yīng)符合《高規(guī)》中7．2．15條之規(guī)定;一、二級(jí)抗震設(shè)計(jì)的剪力墻其他部位以及三、四級(jí)抗震設(shè)計(jì)和非抗震設(shè)計(jì)的剪力墻墻肢端部的邊緣構(gòu)件稱為構(gòu)造邊緣構(gòu)件，設(shè)計(jì)應(yīng)符合《高規(guī)》中7．2．16條之規(guī)定，這里不再贅述。

3)現(xiàn)在住宅設(shè)計(jì)中，有不少住宅將東西兩個(gè)端開間的房間窗設(shè)計(jì)成轉(zhuǎn)角窗，在房間內(nèi)觀賞室外景色視野開闊且采光通風(fēng)良好，開發(fā)商將此作為賣點(diǎn)，也贏得了購(gòu)房者的認(rèn)可。但對(duì)于結(jié)構(gòu)來說，剪力墻在端開間角部得不到連續(xù)，而且開口較大，對(duì)于抗震設(shè)計(jì)很不利，那么怎么解決這個(gè)問題，現(xiàn)建立四個(gè)計(jì)算模型以供分析比較。

圖1 模型一結(jié)構(gòu)布置圖

模型說明:假設(shè)建筑地上10層，無地下室，層高3 000 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25，墻厚200 mm。

模型一:不設(shè)置轉(zhuǎn)角窗;模型二:設(shè)置轉(zhuǎn)角窗，對(duì)剪力墻邊緣不作處理;模型三:設(shè)置轉(zhuǎn)角窗，在剪力墻邊緣設(shè)置端柱;模型四:端開間板厚比其他模型增加20%，上下層窗間部分作為連梁設(shè)計(jì)。具體布置如圖1～圖4所示。

圖2 模型二結(jié)構(gòu)布置圖

圖3 模型三結(jié)構(gòu)布置圖

圖4 模型四結(jié)構(gòu)布置圖

采用建研院的PKPM系列工程軟件中TAT模塊計(jì)算，現(xiàn)對(duì)一些計(jì)算結(jié)果進(jìn)行列表比較，如表1所示。

表1 計(jì)算結(jié)果比較

由表1可看出，模型二的自震周期、位移、地震作用的方向最大，其中地震作用的方向增大80%，說明地震作用時(shí)建筑物的變形及扭轉(zhuǎn)較大，對(duì)結(jié)構(gòu)很不利。采取加強(qiáng)措施的模型三和模型四則能大大改善結(jié)構(gòu)的受力性能。

通過對(duì)以上模型計(jì)算結(jié)果分析并結(jié)合其他設(shè)計(jì)院的研究成果，高層住宅設(shè)置轉(zhuǎn)角窗時(shí)，為減少開洞部位各構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)變形，提高建筑物整體抗震性能有兩種途徑:

1)加強(qiáng)剪力墻本身，提高剪力墻延性和平面外的穩(wěn)定性。

a．在剪力墻端部設(shè)置端柱，該端柱各層宜均按約束邊緣構(gòu)件設(shè)計(jì);

b．應(yīng)采用一般剪力墻，形狀不應(yīng)用“一”字形，墻厚、配筋宜適當(dāng)加大，配筋宜設(shè)計(jì)成雙層雙向;

2)加強(qiáng)連接剪力墻的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，提高整體性。

a．連梁高度適當(dāng)加大?，F(xiàn)在住宅的窗戶面積較大，窗下墻高度低，有的只有400 mm，建議窗下墻不要磚砌或澆筑構(gòu)造配筋的混凝土，而宜將兩層窗間部分整體當(dāng)連梁設(shè)計(jì)。

b．轉(zhuǎn)角處的樓板加厚，配筋適當(dāng)加大。

以上分析僅限于非抗震設(shè)計(jì)和6，7，8度抗震設(shè)計(jì)的A級(jí)高度高層建筑，其他高層應(yīng)作相應(yīng)專門研究。

5 連梁

1)跨高比小于5的連梁應(yīng)按《高規(guī)》中連梁的規(guī)定設(shè)計(jì)，因?yàn)榇藭r(shí)剪切變形明顯，易出現(xiàn)剪切裂縫。可對(duì)連梁的彎矩和剪力進(jìn)行塑性調(diào)幅或?qū)B梁的剛度予以折減，但不宜同時(shí)采用。地震作用過程中連梁是耗能構(gòu)件，應(yīng)先于其他主要受力構(gòu)件破壞，以上情況在一般剪力墻結(jié)構(gòu)中較為常見。

2)跨高比不小于5的連梁宜按框架梁的要求設(shè)計(jì)，因?yàn)榇藭r(shí)豎向荷載引起的彎矩作用明顯。在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中，墻肢長(zhǎng)度較小，剛度也較小，連接各墻肢的連梁的高跨比一般不小于5，受力情況類似普通框架梁，不應(yīng)在計(jì)算中將連梁的剛度大幅折減，降低設(shè)計(jì)內(nèi)力，應(yīng)控制混凝土受壓區(qū)高度，其梁端可塑性調(diào)幅70%～80%，按強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)柱弱梁的一般框架梁的要求計(jì)算。

總之，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是新興的結(jié)構(gòu)形式，有著其他結(jié)構(gòu)形式無可比及的優(yōu)點(diǎn)和廣闊的市場(chǎng)前景。設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)其受力特點(diǎn)和破壞機(jī)理，選擇合理的方案布局，選擇正確的計(jì)算軟件，嚴(yán)格遵守規(guī)范規(guī)定的各條款進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)的安全可靠。

［1］ JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］．

［2］ 張景坤，馬立杰．開設(shè)轉(zhuǎn)角窗的高層剪力墻結(jié)構(gòu)分析［J］．山西建筑，2010，36(29):42-43．