小高层建筑短肢剪力墙结构设计
2022-06-09
一、前言
在小高层建筑中使用短肢剪力墙结构具有很多优点，但是，要想充分的发挥短肢剪力墙的优势，必须进行合理的结构布置和设计工作，进而保证短肢剪力墙的设计是科学的。
二、短肢剪力墙和短肢剪力墙结构的判定
1、指截面厚度不大于300mm，墙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，同时《混凝土结构设计规范》规定当构件截面的长边(长度)大于其短边(厚度)的4倍时，宜按墙的要求进行设计；高层建筑结构不应采用全部短肢剪力墙的剪力墙结构；短肢剪力墙较多时，应布置筒体（或一般剪力墙），形成短肢剪力墙与筒体（或一般剪力墙）共同抵抗水平力的剪力墙结构。
2、短肢剪力墙的规定要求。规程相关规定：《高层建筑混凝土结构技术规程》第7.1.8条规定了由于短肢剪力墙抗震性能较差，在高层住宅结构中短肢剪力墙布置不宜过多，不应采用全部为短肢剪力墙的结构。同时规定了B级高度高层建筑和9度抗震设计的A级高度高层建筑，不宜布置短肢剪力墙墙，不应采用具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构。
3、短肢剪力墙结构的必要条件：抗震设计时，短肢墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不大于结构总底部地震倾覆力矩的50%。具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构是指，在规定的水平地震作用下，短肢剪力墙承担的底部倾覆力矩不小于结构底部总地震倾覆力矩的30%的剪力墙结构。
显然,上面第一个定义都是欠妥的,因为它只是给出了墙肢的截面尺寸,实际上定义的是短肢剪力墙墙肢,而没有考虑连梁和洞口对短肢剪力墙性能的影响,所以第一个定义是没有意义的,并且会得出错误的结果。通过文献可以知道用力学参数而不是几何尺寸来定义短肢剪力更为准确，设计剪力墙时只需使得洞口宽度B与墙肢截面高度h的比值β值在上限值[β]u和下限值[β]l之间,再调整连梁的高度使得整体性系数满足α<10,则此剪力墙就是短肢剪力墙，所以在做短肢剪力墙值得注意。
三、短肢剪力墙体的优点
充分利用墙肢的承载能力，避免传统剪力墙结构中墙体过长而通常为构造配筋的浪费。减轻结构自重、降低主体结构和基础造价。结构自振周期相对加大，弥补剪力墙体系抗侧刚度大，从而地震反应加大的缺点。主体结构中大多数墙肢呈受弯工作状态。从而保证墙体具有足够的延性；同时大多数连梁的跨高比大于2.5，保证整体刚度的同时降低连梁的自身刚度，避免连梁的剪切破坏，使连梁也具有足够的延性。以此来弥补剪力墙体系延性的不足。
四、短肢剪力墙结构布置
1、短肢墙的数量应当适中，避免结构太刚或太柔，满足竖向荷载和抗侧力需要即可。
2、短肢剪力墙的纵横应尽量均匀分布，其轴向应力不应相差悬殊。
3、短肢剪力墙肢间距不宜过大，在平面外边缘及角点处，特别是外凸部分，布置必要的短肢墙，既有利于梁的支撑，又可以分散荷载，以加强其整体性和满足平面刚性的要求。
4、各短肢剪力墙应尽量对齐并拉直，与连梁一起构成成片的联肢墙抗侧力结构。
5、每道短肢墙宜与两个方向的梁连结，连梁尽可能布置在墙肢的竖平面内；连梁宽度一般宜与墙肢厚度相等。
6、小高层外围部分的竖向构件根据受力的需要和建筑平面布置，设置适量的钢筋混凝土短肢剪力墙，在各短肢剪力墙的墙肢间布置连系梁，把这些短肢墙以及核心筒连成一个整体，构成整幢建筑的结构体系。
五、短肢剪力墙的结构设计
短肢剪力墙结构在设计时，需要注意以下两点问题：
1、短肢剪力墙结构是适应建筑要求而形成的特殊剪力墙结构。其计算模型、配筋方式和构造要求均同于普通剪力墙结构。在TAT、TBSA中，只需按剪刀墙输入即可，而且TAT、TBSA更适合用来计算短肢剪力墙结构。TAT、TBSA所用的计算模型都是杆件、薄壁杆件模型，其中梁、柱为普通空间杆件，每端有6个自由度，墙视为薄壁杆件，每端有7个自由度（多一个截面翘曲角，即扭转角沿纵轴的导数），考虑了墙单元非平面变形的影响，按矩阵位移法由单元刚度矩阵形成总刚度矩阵，引入楼板平面内刚度无限大假定减少部分未知量之后求解，它适用于各种平面布置，未知量少，精度较高。
2、对设有转换层的短肢剪力墙结构，一般都只是将电梯间、楼梯间、核心筒和一少部分剪力墙落地，其余为转换剪力墙。框支剪力墙是受力面向受力点过渡，由于薄壁杆件的连接处是点连接，所以用薄壁杆件模型不能很好地处理位移的连续和力的正确传递。因此，带有转换层的短肢剪力墙结构宜优先采用墙元模型软件（如SATWE）进行计算。
六、结构计算模型和软件应用中易忽视的问题
在实际的计算应用中，设计人员往往会视乎一些问题，主要体现在以下两点：
在小高层建筑中使用短肢剪力墙结构具有很多优点，但是，要想充分的发挥短肢剪力墙的优势，必须进行合理的结构布置和设计工作，进而保证短肢剪力墙的设计是科学的。
二、短肢剪力墙和短肢剪力墙结构的判定
1、指截面厚度不大于300mm，墙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，同时《混凝土结构设计规范》规定当构件截面的长边(长度)大于其短边(厚度)的4倍时，宜按墙的要求进行设计；高层建筑结构不应采用全部短肢剪力墙的剪力墙结构；短肢剪力墙较多时，应布置筒体（或一般剪力墙），形成短肢剪力墙与筒体（或一般剪力墙）共同抵抗水平力的剪力墙结构。
2、短肢剪力墙的规定要求。规程相关规定：《高层建筑混凝土结构技术规程》第7.1.8条规定了由于短肢剪力墙抗震性能较差，在高层住宅结构中短肢剪力墙布置不宜过多，不应采用全部为短肢剪力墙的结构。同时规定了B级高度高层建筑和9度抗震设计的A级高度高层建筑，不宜布置短肢剪力墙墙，不应采用具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构。
3、短肢剪力墙结构的必要条件：抗震设计时，短肢墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不大于结构总底部地震倾覆力矩的50%。具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构是指，在规定的水平地震作用下，短肢剪力墙承担的底部倾覆力矩不小于结构底部总地震倾覆力矩的30%的剪力墙结构。
显然,上面第一个定义都是欠妥的,因为它只是给出了墙肢的截面尺寸,实际上定义的是短肢剪力墙墙肢,而没有考虑连梁和洞口对短肢剪力墙性能的影响,所以第一个定义是没有意义的,并且会得出错误的结果。通过文献可以知道用力学参数而不是几何尺寸来定义短肢剪力更为准确，设计剪力墙时只需使得洞口宽度B与墙肢截面高度h的比值β值在上限值[β]u和下限值[β]l之间,再调整连梁的高度使得整体性系数满足α<10,则此剪力墙就是短肢剪力墙，所以在做短肢剪力墙值得注意。
三、短肢剪力墙体的优点
充分利用墙肢的承载能力，避免传统剪力墙结构中墙体过长而通常为构造配筋的浪费。减轻结构自重、降低主体结构和基础造价。结构自振周期相对加大，弥补剪力墙体系抗侧刚度大，从而地震反应加大的缺点。主体结构中大多数墙肢呈受弯工作状态。从而保证墙体具有足够的延性；同时大多数连梁的跨高比大于2.5，保证整体刚度的同时降低连梁的自身刚度，避免连梁的剪切破坏，使连梁也具有足够的延性。以此来弥补剪力墙体系延性的不足。
四、短肢剪力墙结构布置
1、短肢墙的数量应当适中，避免结构太刚或太柔，满足竖向荷载和抗侧力需要即可。
2、短肢剪力墙的纵横应尽量均匀分布，其轴向应力不应相差悬殊。
3、短肢剪力墙肢间距不宜过大，在平面外边缘及角点处，特别是外凸部分，布置必要的短肢墙，既有利于梁的支撑，又可以分散荷载，以加强其整体性和满足平面刚性的要求。
4、各短肢剪力墙应尽量对齐并拉直，与连梁一起构成成片的联肢墙抗侧力结构。
5、每道短肢墙宜与两个方向的梁连结，连梁尽可能布置在墙肢的竖平面内；连梁宽度一般宜与墙肢厚度相等。
6、小高层外围部分的竖向构件根据受力的需要和建筑平面布置，设置适量的钢筋混凝土短肢剪力墙，在各短肢剪力墙的墙肢间布置连系梁，把这些短肢墙以及核心筒连成一个整体，构成整幢建筑的结构体系。
五、短肢剪力墙的结构设计
短肢剪力墙结构在设计时，需要注意以下两点问题：
1、短肢剪力墙结构是适应建筑要求而形成的特殊剪力墙结构。其计算模型、配筋方式和构造要求均同于普通剪力墙结构。在TAT、TBSA中，只需按剪刀墙输入即可，而且TAT、TBSA更适合用来计算短肢剪力墙结构。TAT、TBSA所用的计算模型都是杆件、薄壁杆件模型，其中梁、柱为普通空间杆件，每端有6个自由度，墙视为薄壁杆件，每端有7个自由度（多一个截面翘曲角，即扭转角沿纵轴的导数），考虑了墙单元非平面变形的影响，按矩阵位移法由单元刚度矩阵形成总刚度矩阵，引入楼板平面内刚度无限大假定减少部分未知量之后求解，它适用于各种平面布置，未知量少，精度较高。
2、对设有转换层的短肢剪力墙结构，一般都只是将电梯间、楼梯间、核心筒和一少部分剪力墙落地，其余为转换剪力墙。框支剪力墙是受力面向受力点过渡，由于薄壁杆件的连接处是点连接，所以用薄壁杆件模型不能很好地处理位移的连续和力的正确传递。因此，带有转换层的短肢剪力墙结构宜优先采用墙元模型软件（如SATWE）进行计算。
六、结构计算模型和软件应用中易忽视的问题
在实际的计算应用中，设计人员往往会视乎一些问题，主要体现在以下两点：