短肢剪力墻在小高層住宅中的合理性布置研究

陳亦梅　王　晴

(1.寧波市鄞州區(qū)人民政府南街道辦事處，浙江寧波　315100; 2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥　230009)

短肢剪力墻在小高層住宅中的合理性布置研究

陳亦梅1王晴2

(1.寧波市鄞州區(qū)人民政府南街道辦事處，浙江寧波315100; 2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥230009)

摘要:通過選擇三種不同的短肢剪力墻布置方案，分析了短肢剪力墻的布置對小高層建筑設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響，并采用SATWE有限元軟件，計(jì)算對比了各種方案下結(jié)構(gòu)的周期比、軸壓比、層間剛度比、位移等設(shè)計(jì)指標(biāo)，同時(shí)利用彈性時(shí)程分析法，評估了結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)地震波下的動力性能，給出了短肢剪力墻在小高層建筑中的合理布置方式。

關(guān)鍵詞:小高層住宅，短肢剪力墻，SATWE軟件，布置方案

0　引言

所謂小高層住宅，實(shí)質(zhì)上是7層～9層中高層住宅和10層～12層的高層住宅相加在一起的概念，小高層住宅摒棄了高層住宅( 12層以上)的缺點(diǎn)，同時(shí)保持了多層住宅的優(yōu)點(diǎn)［1］。在現(xiàn)階段，我國絕大部分的住宅建筑還是以混凝土結(jié)構(gòu)為主，框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)和框—剪結(jié)構(gòu)是工程師在設(shè)計(jì)小高層結(jié)構(gòu)時(shí)的常用選擇。近年來，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)開始在小高層住宅建筑逐漸出現(xiàn)，它以良好的抗震性能和靈活的布置形式被越來越多的工程師喜歡而流行［2］。

本文結(jié)合霍山鳳凰城小高層住宅建筑，通過不同的短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的分析對比，探索短肢剪力墻在小高層住宅建筑中的合理布置。

1　項(xiàng)目概況

霍山鳳凰城是一個(gè)包括4棟6層多層、8棟11層小高層和3棟17層高層住宅的小區(qū)，位于安徽省霍山縣。小區(qū)的三面均為主要的交通要道，除位于沿道路的住宅底層的小開間商鋪的層高為3.6 m外，其他各樓層的層高均為2.9 m，頂層設(shè)置有閣樓層，坡屋頂。該工程采用人工挖孔樁基礎(chǔ)。

該小區(qū)的8棟11層小高層建筑的結(jié)構(gòu)形式均為短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為7度，建筑物抗震設(shè)防類別為丙類，結(jié)構(gòu)安全等級為2級，墻厚設(shè)為200 mm，地上主體結(jié)構(gòu)11層，無地下室。對于墻柱梁板所采用混凝土的強(qiáng)度等級，從基礎(chǔ)頂面到6層頂為C30，從6層頂?shù)轿蓓敒镃25;對于各部位或構(gòu)件所采用的混凝土，樁基礎(chǔ)為C25，基礎(chǔ)梁和承臺采用C30，基礎(chǔ)墊層取C15，過梁、構(gòu)造柱、圈梁取C25;對于所采用的受力鋼筋，梁的受力鋼筋均為HRB335，墻所采用的受力鋼筋與鋼筋直徑有關(guān)，當(dāng)鋼筋直徑大于12 mm時(shí)，采用HRB335，當(dāng)鋼筋直徑小于12 mm時(shí)，采用HPB235，其他鋼筋均采用HPB235。

2　荷載取值

該結(jié)構(gòu)的樓屋面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值均按GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［3］取值，具體的取值結(jié)果見表1。

表1　建筑樓屋面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值

墻體按200 mm厚混凝土空心小砌塊墻計(jì)算恒荷載，容重取11.8 kN/m2，扣除門窗洞口的重量;對于梁板，按其實(shí)際的尺寸計(jì)算恒荷載，考慮到抹灰的質(zhì)量，取容重為27 kN/m2;考慮到屋面具體的設(shè)計(jì)構(gòu)造，并結(jié)合荷載規(guī)范各材料的容重，最終按實(shí)際計(jì)算結(jié)果取屋面的均布恒荷載為7.0 kN/m2。

3　梁板尺寸確定

依據(jù)GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［3］規(guī)定“雙向板的厚度不應(yīng)小于80 mm，單向板的厚度不應(yīng)小于60 mm”，同時(shí)考慮到合肥市關(guān)于住宅的相關(guān)規(guī)定“除廚房、衛(wèi)生間等跨度很小的板可以采用板厚為90 mm，其他板厚應(yīng)不小于120 mm”，本工程中的陽臺、衛(wèi)生間、廚房等跨度小于2 000 mm的板取厚度為90 mm，其他包括屋頂?shù)陌搴窠y(tǒng)一取1 200 mm。對于轉(zhuǎn)角窗所在的房間，由于無法布置抗側(cè)力構(gòu)件，此處位移可能較大，考慮到結(jié)構(gòu)的整體性，取其板厚為140 mm，并在轉(zhuǎn)角窗處設(shè)置暗梁。

梁的截面高度通常取跨度的1/10左右;跨度取截面高度的1/3～1/2?？紤]到施工的方便性，在建筑的外圍，梁的截面尺寸統(tǒng)一取200 mm×500 mm;在建筑里面，主梁的截面尺寸取200 mm× 450 mm和200 mm×400 mm，次梁的截面尺寸取200 mm× 350 mm。

4　結(jié)構(gòu)方案布置

該建筑的平面布置圖基本相同，考慮到住宅的需求，在住宅的東南角設(shè)有轉(zhuǎn)角窗。具體布置見圖1。

圖1　建筑平面布置圖

在一般情況下，剪力墻為了提高結(jié)構(gòu)的延性會盡可能的布置成T形和L形，但在③軸與?軸的相交處由于建筑的布置形式和考慮到短肢剪力墻的布置原則只能布置成Z形。

通常，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的配筋都是按構(gòu)造要求決定的，采用最小配筋率，考慮到結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，對于承受荷載較小的剪力墻，其截面高度取為6倍的墻厚。JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［5］規(guī)定:“翼墻長度小于其厚度3倍或端柱截面邊長小于墻厚的2倍時(shí)，視為無翼墻或無端柱”?？紤]到翼墻的約束作用，本次所采用的翼墻長度為3倍～4倍的墻厚。在樓梯的入口處，由于建筑的需要，設(shè)有400 mm×1 800 mm的洞口，在洞口上部設(shè)置高度為1 100 mm的連梁，該連梁的跨高比為2.75。由于連梁的存在，經(jīng)分析，該段墻體可視為聯(lián)肢剪力墻，具體計(jì)算配筋時(shí)按短肢剪力墻計(jì)算，這樣既方便了處理也為結(jié)構(gòu)提供了一定的安全儲備。

對該工程，三種結(jié)構(gòu)布置方案被先后提出，具體布置方案見圖2～圖4。

圖2　方案一的結(jié)構(gòu)布置圖

圖3　方案二的結(jié)構(gòu)布置圖

圖4　方案三的結(jié)構(gòu)布置圖

5　結(jié)果分析比較

采用SATWE有限元軟件對三種結(jié)構(gòu)布置方案進(jìn)行在傳統(tǒng)地震力作用下的軸壓比、位移、層間位移角等指標(biāo)分析對比。

5.1結(jié)構(gòu)周期和周期比

周期是反映結(jié)構(gòu)剛度的重要指標(biāo)，當(dāng)結(jié)構(gòu)的周期越長時(shí)，結(jié)構(gòu)的剛度就越小，承受的地震力就越少;當(dāng)結(jié)構(gòu)的周期越短，結(jié)構(gòu)的剛度就越大，承受的地震力就越多。周期比是反映結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的重要參數(shù)。歷次震害表明，平面不規(guī)整、質(zhì)心與剛心的偏差較大以及扭轉(zhuǎn)剛度較弱的結(jié)構(gòu)，在地震中遭受到的破壞就較為嚴(yán)重［6］。因此，嚴(yán)格的控制結(jié)構(gòu)的周期比對于控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)是非常重要的。經(jīng)有限元計(jì)算，可得三種結(jié)構(gòu)布置方案的主要設(shè)計(jì)控制參數(shù)，具體結(jié)果見表2。

表2　結(jié)構(gòu)的主要控制參數(shù)對比表

通過表2可以看出，三種結(jié)構(gòu)布置方案的第三周期扭轉(zhuǎn)系數(shù)均接近1，即結(jié)構(gòu)的剛心與質(zhì)心基本重合，且均以第一、第三周期為平動，第二周期為轉(zhuǎn)動，第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期的比值小于規(guī)范上所規(guī)定的0.9的限值，第一周期即為結(jié)構(gòu)的自振周期，從計(jì)算結(jié)果可看出，三種布置方案的自振周期均較大，即結(jié)構(gòu)承受的地震作用較小。

5.2短肢剪力墻所承擔(dān)的地震傾覆力矩

根據(jù)JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［5］第7.1.8條規(guī)定:“抗震設(shè)計(jì)時(shí)，高層建筑結(jié)構(gòu)不應(yīng)全部采用短肢剪力墻，且短肢剪力墻不宜較多;在規(guī)定的水平地震作用下，短肢剪力墻承擔(dān)的底部傾覆力矩不宜大于結(jié)構(gòu)底部總傾覆力矩的50%”。由表2可以看出，三種布置方案滿足規(guī)范要求，方案一僅僅為22.3%，但方案二和方案三均大于30%是屬于具有較多剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)。

由表2可以看出，方案三在第一周期下，底層短肢剪力墻所承擔(dān)的傾覆力矩比例接近JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［5］規(guī)定的不宜大于50%的上限;方案二的也達(dá)到了31.4%，方案一僅僅為22.3%。

5.3結(jié)構(gòu)層間剛度比

層間剛度比是指結(jié)構(gòu)豎向不同樓層的側(cè)向剛度的比值，是反映結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則性和判斷薄弱層的主要指標(biāo)［6］。由于結(jié)構(gòu)各層的平面布置均相近，且豎向布置規(guī)則，故結(jié)構(gòu)不存在層間剛度突變的現(xiàn)象，也沒有薄弱層。

5.4結(jié)構(gòu)位移比和位移角

位移比是反映結(jié)構(gòu)平面布置不規(guī)則性和整體扭轉(zhuǎn)的重要參數(shù)［6］。依據(jù)相關(guān)規(guī)范可知，該工程的位移比不宜大于1.2。由表2可知，方案一對結(jié)構(gòu)的位移比控制較好，方案三次之，方案二達(dá)到了規(guī)范規(guī)定的上限。

最大位移曲線對比見圖5。

圖5　最大位移曲線對比圖

層間位移角即層間最大位移與層高的比值，是反映結(jié)構(gòu)的變形能力、控制結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性和整體剛度的重要指標(biāo)［6］。由圖6可知，三種布置方案的最大層間位移角相差不大，均小于高規(guī)對最大層間位移角的限值。

5.5墻肢的軸壓比

圖6　最大層間位移角曲線對比圖

墻肢的軸壓比是指墻肢的軸向壓力設(shè)計(jì)值與墻肢的全截面面積和混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘積之比，它是影響墻肢抗震性能的主要因素之一，為了使墻肢具有很好的延性和耗能能力，軸壓比必須滿足規(guī)范限值［6］。由圖7～圖9可知，三種方案的底層剪力墻和短肢剪力墻的軸壓比均滿足JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［5］對剪力墻和短肢剪力墻軸壓比的要求。

圖7　方案一底層墻體軸壓比

圖8　方案二底層墻體軸壓比

圖9　方案三底層墻體軸壓比

5.6時(shí)程分析

根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［7］第5.1.2條:“特別不規(guī)則的建筑、甲類建筑和表5.1.2-1所列高度范圍的高層建筑，應(yīng)采用時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算，可取多條時(shí)程曲線計(jì)算結(jié)果的平均值與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的較大值”。

現(xiàn)采用時(shí)程分析法［8，9］對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算。該工程的特征周期為0.35s，建筑場地類別為Ⅱ類場地第一組，然后據(jù)此選出兩組實(shí)際的地震記錄和一組人工模擬的加速度時(shí)程曲線人工波( RH1TG035 )。選擇SATWE自帶的兩組地震波，分別為TH3TG035，COALINGA 1983.5.2，6.5級和TH2TG035，SAN FERNANDO 1971.2.9，6.4級。具體的計(jì)算結(jié)果見圖10，圖11。

圖10　時(shí)程分析下最大樓層位移曲線

圖11　時(shí)程分析下最大層間位移角曲線

從圖10和圖11可以看出，三種布置方案在時(shí)程分析下的最大樓層位移和最大層間位移角相差不大，且均在合理的范圍內(nèi)。

6　結(jié)論及建議

結(jié)合鳳凰城小高層工程實(shí)例，通過SATWE軟件計(jì)算分析軸壓比、位移、層間剛度比等設(shè)計(jì)指標(biāo)和時(shí)程分析法下的結(jié)構(gòu)的動力特性來判別三種短肢剪力墻的布置方案的合理性。通過分析對比結(jié)果可知，在三種布置方案中，只要短肢剪力墻在小高層建筑中布置的合理，且底層短肢剪力墻所承擔(dān)的傾覆力矩比例小于50%時(shí)，結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)就能滿足要求;當(dāng)短肢剪力墻在小高層建筑中合理布置，且底層短肢剪力墻所承擔(dān)的傾覆力矩比例小于3%時(shí)，結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)會更優(yōu)化。

參考文獻(xiàn):

［1］宋義.小高層住宅建設(shè)與住宅產(chǎn)業(yè)發(fā)展［J］.工程建設(shè)與檔案，2004( 2) :23-24.

［2］容柏生.高層住宅建筑中的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1997，18( 6) :14-19.

［3］GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.

［4］GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

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

［6］陳超核，趙菲，肖天鑒，等.建筑結(jié)構(gòu)CAD-PKPM應(yīng)用與設(shè)計(jì)實(shí)例［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

［7］GB 50010—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［8］王亞勇，劉小弟.建筑結(jié)構(gòu)時(shí)程分析法輸入地震波的研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1991，1( 2) :52-60.

［9］鄧軍，唐家祥.時(shí)程分析法輸入地震記錄的選擇與實(shí)例［J］.工業(yè)建筑，2000，30( 8) :9-12.

On reasonable allocation research of short-leg shear wall in small high-rise buildings

Chen Yimei1Wang Qing2
( 1.Nanjiedao Sub-district Office，Ningbo Yinzhou People’s Government，Ningbo 315100，China; 2.College of Civil Engineering and Water Conservancy，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

Abstract:According to the three allocation schemes for the short-leg shear walls，the paper analyzes the influence of the short-leg shear wall allocation on the small high-rise buildings，adopts SATWE finite element software，calculates the design indexes，including the period ratio，axial pressure ratio，story stiffness ratio，and displacement，adopts the elastic time-history analysis，evaluates the dynamic performance under traditional seismic waves，and provies the reasonable allocation for the short-leg shear wall in small high-rise buildings.

Key words:small high-rise building，short-leg shear wall，SATWE software，allocation scheme

作者簡介:陳亦梅(1969-)，女，工程師;王晴(1993-)，女，在讀碩士

收稿日期:2015-11-24

文章編號:1009-6825( 2016) 04-0029-04

中圖分類號:TU973

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A