摘要:本文笔者结合自己多年的经验,首先讨论了剪力墙设计概述,接着分析了墙体最小厚度及配筋量、柱的加固和剪力墙的加固、混凝土的养护,最后研究了大底盘结构中高层建筑部分的嵌固部位和剪力墙的延性破坏。
关键词:剪力墙结构;剪力墙设计;加固技术;混凝土
1. 剪力墙设计概述
剪力墙结构中,墙是一种平面构件,它除承受沿其平面作用的水平剪力和弯矩外,还承担竖向压力。即在轴力、弯矩、剪力同时作用的复合状态下工作,其在受水平力作用时。就似一根底部嵌固于基础上的悬臂深梁。在地震作用或风载下,剪力墙除需满足刚度强度要求外,还必须满足非弹性变形反复循环下的延性、能量耗散以及控制结构裂而不倒的要求(即墙肢必须能防止墙体发生脆性剪切破坏),因此,应注意尽量将剪力墙设计成延性弯曲型。实际工程中,剪力墙分为整体墙和联肢墙。整体墙有一般房屋端的山墙、鱼骨式结构片墙及小开洞墙等形式。整体墙受力特征如同竖向悬臂杆件:当剪力墙墙肢较长时,在水平力作用下法向应力呈线性分布,破坏形态似偏心受压柱,因此,配筋时应尽量将竖向钢筋布置在墙肢两端;为防止剪切破坏,提高延性应将底部截面的组合设计内力适当提高或加大配筋率;为避免斜压破坏,墙肢不能过小也不宜过长,以防止截面应力相差过大。联肢墙是指由连梁连接起来的剪力墙。但因一般连梁的刚度比墙肢刚度小得多,墙肢单独作用显著,连梁中部出现反弯点,设计时要注意墙肢轴压比限值要求。剪力墙的计算分析,首先是进行水平和竖向作用下的结构整体分析,在求得内力后再按偏压或偏拉进行正截面承载力以及斜截面受剪承载力验算。当墙体承受较大集中荷载作用时,应增加对局部受压承载力的验算。在剪力墙承载力计算中,对带翼墙的计算宽度按以下情况取其小值:即剪力墙之间的间距;门窗洞口之间的翼缘宽度;墙肢总高度的1/10;剪力墙厚度加两侧翼墙厚度各6倍的长度,由于建筑功能的要求,在高层混凝土剪力墙结构中经常会在结构内部的底层增设局部框架。这些框架一般都不会成榀,不能形成梁柱抗侧力体系;即使局部成榀,也不能有效的抵抗结构的倾覆力矩;同时由于建筑的要求,梁柱中心线也不能重合,形成较大偏心,此时应采取梁的水平加腋等措施,确保节点在地震力反复作用下良好的抗震性能。另外不得将框架梁直接搭在剪力墙的平面外,使墙体承受平面外弯矩,导致受地震力作用时该部位率先破坏。
2. 墙体最小厚度及配筋量
钢筋混凝土墙的厚度由墙体的轴压比及高厚比决定的,前者是考虑墙的延性要求,后者是考虑墙的平面外稳定性要求,要保证工程质量,使混凝土浇捣密实也是不可忽视的因素,从施工角度看,墙的厚度不能太小,建筑抗震设计规范(GB 50011-2001)规定,三、四级剪力墙的最小厚度为140mm。从有过的6层住宅剪力墙结构实例来看,采用双层配筋的140mm厚的墙体,钢筋容易走位,混凝土不易振捣密实。故不宜在整个建筑中大面积采用,对某些没有门窗洞口的短墙段,作为个别情况尚可考虑;如采用单排配筋,施工无困难。但由于单排配筋不利于承受平面外的弯距,不利于混凝土的抗裂,故不宜采用于承重墙体。多层剪力墙结构中采用双层配筋的墙体,最小厚度不应小于160mm,高层剪力结构中,墙体最小厚度不宜小于180mm。在墙体配筋方面,多层和高层住宅剪力墙结构按计算多为构造配筋,理论上讲满足规范规定的最小含钢率要求是可以的,这也是住宅开发商向设计单位提出降低用钢量的根据,此问题涉及到结构安全度的考虑,如从结构的抗震能力、结构的耐久性,从长期的经济效益看,过多的追求降低用钢量指标,在技术经济综合比较中并非合理。
3. 柱的加固和剪力墙的加固
经结构承载力验算,发现柱的轴压比不满足要求,需进行加固处理。柱采用从内到外包裹1层竖向碳纤维布和1层环向碳纤维布的方式进行加固。高度范围为底层地面到2层楼面梁底部。采用碳纤维片材缠绕加固混凝土柱可以约束混凝土的变形,从而提高混凝土的抗压强度,降低轴压比。柱的抗震加固必须采用封闭式粘贴并有可靠连接,当环向碳纤维布遇墙不能贯通时,应在墙上搭接200mm以上,并设置宽200mm的压条。剪力墙的加固:剪力墙采用在墙端暗柱粘贴环向碳纤维布的方式增加剪力墙的抗压承载力,采用在剪力墙两侧粘压条贴竖向、水平和斜向交叉碳纤维布的方式增加墙体抗剪承载力。高度范围为底层地面到2层楼面楼板底部。纵向、水平和斜向交叉碳纤维布的宽度均为200mm。
4. 混凝土的养护
国外由于开发了减少混凝土收缩的外加剂,所以其泵送流态混凝土的收缩变形能得到有效控制。但国内却缺乏类似的外加剂,虽然通过添加UEA等微膨胀剂,可从某种程度上减少混凝土的收缩变形,但由于UEA等的膨胀率指标是在水养14d的情况下获得的,如果养护条件跟不上,其膨胀率会明显降低。实际工程中时常发生添加微膨胀剂后不但对防裂无效,反而使开裂更为严重,并产生后期强度倒缩等情况。如果按控制混凝土的收缩变形值为指标进行换算,则泵送流态混凝土的养护要求要相当于大体积混凝土的养护条件。但实际上对大体积混凝土一般都要严格按规范规定的要求进行特殊养护,以控制混凝土的内外温差和收缩变形值,但对泵送流态混凝土的养护,通常仍采用过去自拌混凝土及预制混凝土的养护要求。这是目前设计和施工人员容易忽视的一个关键因素。
5. 大底盘结构中高层建筑部分的嵌固部位
按照现行规范规定当地下室结构的楼层侧向刚度不小于相邻上部楼层侧向刚度的2倍时,可将地下室一层顶板位置作为上部结构的嵌固部位。一般的带有地下室的普通高层建筑均能满足上下侧向刚度比的要求。但是对于地下一层是大面积的停车库的高层建筑结构,虽然在进行计算的过程中因为计算公式的限制可以满足上下侧向刚度比的要求,但如果就此在设计中将地下室顶板作为了上部结构的嵌固部位,对于框架结构,由于本身上部框架的刚度就较小,按照嵌固部位设计的地下室顶板在地震过程中也可以起到相应的嵌固作用;而对于高层部分是混凝土剪力墙的结构,由于混凝土墙本身的刚度很大。地下室部分的墙体又由于使用上的要求往往要开设较大的洞口,致使地下室有效墙体的数量减少,同时车库部分柱间距比较大,这都将导致高层建筑部分在地下室的局部刚度降低,使高层建筑不再满足刚度比的要求。故而地下室顶板对高层剪力墙结构的侧向变形约束降低,使地下一层顶板不能起到嵌固的作用,这种情况下上部结构的嵌固部位就应设在基础顶面,另外由于地下一层有地下车库的存在,往往地下车库顶板上会有较厚的覆土,将使结构在此标高处出现楼板错层。因此对于高层结构的地下一层的墙体也应当有所加强,以保证地震作用下水平力的有效传递。
6. 剪力墙的延性破坏
剪力墙的延性破坏也可分为两种情况。一种是连梁不屈服,墙肢首先发生弯曲破坏,这种墙在破坏时的极限变形较小。因此,对有抗震设防要求的建筑来说,它虽然是一种延性破坏,但吸收地震能量的能力是较低的。设计中应避免这种情况的发生。延性破坏的第二种是连梁先屈服,最后是墙肢的屈服。当连梁有足够的延性时,它能通过塑性铰的变形吸收大量的地震能量。同时,通过塑性铰仍能继续传递弯矩和剪力,对墙肢起到一定的约束作用,使联肢墙保持足够的刚度和强度。这是设计时应首先考虑做到的。为了保证联肢墙的延性要求,对连梁的延性要求是非常高的。因此,在设计高层建筑剪力墙时,必须十分注意保证连梁的延性要求。
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