短肢剪力墙结构在高层建筑设计中的应用
摘要：短肢剪力墙在高层建筑中的应用日益广泛，短肢剪力墙结构是适应建筑要求而形成的特殊的剪力墙结构。短肢剪力墙属于剪力墙结构体系，适用于现浇钢筋混凝土塔式或板式高层住宅。本文从短肢剪力墙的概念及计算方面做了简要论述。
关键词：短肢剪力墙；结构设计；抗震性能
在中国内地房地产业迅速发展的这十年间，设计人员在不断提升建筑外观与户内布局品质的同时，也在努力寻求建筑功能与经济之间的最佳契合点。随着高层、小高层建筑的日益走俏，先前普通框架结构的漏柱漏梁、普通剪力墙结构对建筑空间的严格限定与分隔，在建筑功能上已不尽适用了。而短肢剪力墙结构结合建筑平面、利用间隔墙位置来布置竖向构件，可视抗侧力的需要布置剪力墙的数量与墙肢长度，以轻质填充墙代替部分剪力墙。如此不仅减轻建筑物自重荷载，而且适当降低结构刚度，使地震作用减小，经济效益明显。本文简要讨论短肢剪力墙结构住宅设计中的几点问题。
1．体系结构
短肢剪力墙体系是根据高层住宅平面特点，利用竖向交通中心区的分隔墙设置钢筋混凝土墙，组成一个基本完整的核心筒体，作为承受竖向荷载和抗侧力的主要部分。外围部分的竖向构件，视结构受力需要和建筑平面布置，在房间分割墙交点处设置适量的钢筋混凝土短肢墙。各短肢剪力墙之间布置连系梁，把这些短肢墙及核心筒体连成一个整体，构成整幢建筑的结构体系。短肢剪力墙墙肢约为5倍肢宽，短肢剪力墙截面厚度不应小于200mm。布置形式通长采用L形，T形，也有少量十形，Z形，一字形截面。其形式随交点处建筑分割墙形式而定。也可混合布置部分长墙肢或矩形柱。短肢剪力墙的判定有两条：
（1）墙肢截面高度与厚度之比为5~8,对形，T形，I形截面剪力墙，则应每个方向墙肢截面高度与厚度之比为5~8。
（2）墙肢两侧均与弱连梁相连或一端与弱连梁相连（连梁的跨高比大于6）,一端为自由端，两条应同时满足。
2．短肢剪力墙的界定
《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2002）关于短肢剪力墙的注解为：短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5~8的剪力墙。同时《高规》7.1.2指出，高层建筑不应采用全部为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。此外尚有一必要条件：抗震设计时，筒体和一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部倾覆力矩的50%。
3．短肢剪力墙结构的布置原则
现行的结构设计理论与计算方法存在许多缺陷或不可计算性，在混凝土结构设计时，内力计算是基于弹性理论的计算方法，而截面设计却是基于塑性理论极限状态设计方法，这样的矛盾致使计算结果与结构实际受力状态相差甚远。所以结构设计人员应当培养概念设计的素养，选择效果最好，造价最低的方案，在布置短肢剪力墙时应遵循以下原则。
3.1短肢墙数量应适中，满足竖向承载力和抗侧力要求为宜；
3.2短肢墙分布应均匀，轴向应力大致相当且便于支承楼盖；
3.3短肢墙应尽量对齐，与连梁一起构成较规整且连续跨数较多
的抗侧力片。
3.4短墙肢厚度应适宜，过厚会凸出间隔墙表面影响美观，太薄影响稳定性并增加施工难度，通常采用200mm、250mm、300mm；
3.5短肢墙宜有两个方向的梁与之连结，连梁尽可能布置在墙肢的竖平面内。连梁宽度一般与墙肢厚度相等，但受力或构造需要时，也可比墙肢略大或略小；
3.6当有抗震要求或风力较大，或者平面凹凸较多时，应在平面外边缘及角点处，特别是外凸部分，布置必要的短肢墙以加强其整体性和满足平面刚性的要求；科
3.7必要时可以混合布置部分较长的墙或方（矩）形柱。
4．短肢剪力墙结构体系的计算
短肢剪力墙仍属于剪力墙结构体系，只不过是采用较短的剪力墙肢，而且通常采用T形、L形、[形、+形等。其所采用的计算模型、配筋方式和构造要求均与普通剪力墙结构相同。短肢剪力墙结构一般采用薄壁杆元（TAT）来分析，将墙视为薄壁杆件，每端有7个自由度（比普通杆元每端6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。但是，由于薄壁杆件理论没有考虑剪切变形的影响，该模型在分析剪力墙较为低宽、结构布置复杂（如有转换层）时，也存在一些不足。在处理结构布置复杂的问题时可采用壳元模型分析，但应加细单元的划分。比如设有转换层的短肢剪力墙结构，通常的处理方法是将电梯间、核心筒等少部分剪力墙落地，其余剪力墙框支。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。当然，从整体上的内力（特别是下部支承柱的内力）分布情况来看，如果将剪力墙加以适当的处理，还是可以用TAT、TBSA对结构进行整体计算的。
5．短肢剪力墙结构的抗震加强
短肢剪力墙的受力及变形特征类似框架结构。但比框架结构的刚度分配、内力分配更合理，结构的变形协调导致的竖向位移差别，也比框剪结构小，所以其传基础荷载更均匀、合理。在做抗震设计时，应注意一下几点。
5.1短肢剪力墙的抗震等级应比高规4.8.2规定的剪力墙的抗震等级提高一级采用。
5.2各层短肢剪力墙在重力荷载代表值作用下产生的轴力设计值的轴压比，抗震等级为一、二、三时分别不宜大于0.5、0.6和0.7；对于无翼缘或端柱的一字形短肢剪力墙，其轴压比限值相应降低0.1。
5.3除底部加强部位应按高规7.2.10条调整剪力设计值外，其它各层短肢剪力墙的剪力设计值，一、二级抗震等级应分别乘以增大系数1.4和1.2。
5.4短肢剪力墙截面的全部纵向钢筋的配筋率，底部加强部位不宜小于1.2%，其它部位不宜小于1.0%。
5.5短肢剪力墙截面厚度不应小于200mm。
5.6度和8度抗震设计时，短肢剪力墙宜设置翼缘。一字形短肢剪力墙平面外不宜布置与之单侧相交的楼面梁。
5.7高规7.2.1条文规定了带有筒体和短肢剪力墙的剪力墙结构的混凝土强度等级不应低于C25。
6．设计改进建议
短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节是建筑外边缘及角点处的短墙肢，特别是一字形短肢剪力墙，出现了先于其相连的连梁破坏的情况。设计中，应当加强位于建筑外边缘及角点处的短肢剪力墙的延性抗震构造措施，适当增加建筑平面外边缘及角点处墙肢厚度，易取250mm.，底部外围的小墙肢根据需要可取300mm。加强墙肢端部的暗柱配筋，严格控制墙肢截面的轴压比不超过0.7,以提高墙肢的承载力和延性；避免将一字形短肢剪力墙布置在建筑外边缘及角点处。设计时对连梁进行“强剪弱弯”的验算，保证连梁的弯曲屈服先于剪切破坏。
总之，随着新型墙体材料的不断出现，推动了短肢剪力墙结构的进一步应用，这一结构在建筑市场仍有着广阔的前景。短肢剪力墙结构体系在高层住宅中的应用有着广阔的发展前景。设计工作者应在充分结合实践的基础上，设计出性能更优、更经济的建筑。
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