关键词：异形柱短肢剪力墙结构设计
现代住宅建筑要求大开间，平面及房间布置灵活、方便，室内不出现柱楞、不露梁等。异形柱与短肢剪力墙结构能较好地满足现代住宅建筑的要求，因而逐渐得到了推广应用。目前，现行国家规范或规程中尚未给出有关异形柱与短肢剪力墙结构设计的条款，因此，结构设计人员在设计中常会遇到一些规范或规程尚未论及的问题，需要设计人员积累经验，利用正确的概念进行设计。
本文旨在对异形柱与短肢剪力墙结构设计中的一些问题进行探讨，提出个人看法，供结构设计人员参考
1异形柱结构型式及其计算
异形柱结构型式有异形柱框架结构、异形柱框架—剪力墙结构和异形柱框架—核心筒结构。
异形柱结构自身的特点决定了其受力性能、抗震性能与矩形柱结构不同。由于异形柱截面不对称，在水平力作用下产生的双向偏心受压给承载力带来的影响不容忽视。因此，对异形柱结构应按空间体系考虑，宜优先采用具有异形柱单元的计算程序进行内力与位移分析。因异形柱和剪力墙受力不同，所以计算时不应将异形柱按剪力墙建模计算。
当采用不具有异形柱单元的空间分析程序（如TBSA5.0）计算异形柱结构时，可按薄壁杆件模型进行内力分析。
对异形柱框架结构，一般宜按刚度等效折算成普通框架进行内力与位移分析。当刚度相等时，矩形柱比异形柱的截面面积大。一般，比值（A矩／A异）约在1.10-1.30之间［1］。因此，用矩形柱替换后计算出的轴压比数值不能直接应用于异形柱，建议用比值（A矩／A异）对轴压比计算值加以放大后再用于异形柱。
对有剪力墙（或核心筒）的异形柱结构，由于异形柱分担的水平剪力很小，由此产生的翘曲应力基本可以忽略，为简化计算，可按面积等效或刚度等效折算成普通框架—剪力墙（或核心筒）结构进行内力与位移分析。按面积等效更能反映异形柱轴压比的情况，且面积等效计算更为简便。但应注意，按面积等效计算时，须同时满足下面两式：
(1)A矩=A异；(2)b/h=(Ix异／Iy异)1/2
式中，A矩、A异——分别为矩形柱和异形柱的截面面积；
b、h——分别为矩形截面的宽和高；
Ix异、Iy异——分别为异形柱截面x、y向的主形心惯性矩。
一般，按面积等效计算时，矩形柱的惯性矩比异形柱的小。但对有剪力墙（或核心筒）的异形柱结构，计算分析表明［2］，按面积等效与按刚度等效的计算结果是接近的。
异形柱的截面设计，可根据上述方法得出的内力，采用适合异形柱截面受力特性的截面计算方法进行配筋计算。
2短肢剪力墙结构及其计算
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。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，只需按剪力墙输入即可，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。但是，薄壁杆件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，主要是薄壁杆件理论没有考虑剪切变形的影响，当结构布置复杂时变形不协调。而短肢剪力墙结构由于肢长较短（一般为墙厚的5-8倍），本身较高细，更接近于杆件性能，所以，用TAT、TBSA计算短肢剪力墙结构能较好地反映结构的受力，精度较高。
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，其于剪力墙框支。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［3］。
3异形柱的受力性能及其轴压比控制
天津大学的试验研究结果表明［4］：异形柱的延性比普通矩形柱的差。轴压比、高长比（即柱净高与截面肢长之比）是影响异形柱破坏形态及延性的两个重要因素。
异形柱由于多肢的存在，其剪力中心与截面形心往往不重合，在受力状态下，各肢产生翘曲正应力和剪应力。由于剪应力，使柱肢混凝土先于普通矩形柱出现裂缝，即产生腹剪裂缝，导致异形柱脆性明显，使异形柱的变形能力比普通矩形柱降低。
作为异形柱延性的保证措施，必须严格控制轴压比，同时避免高长比小于4（短柱）。控制柱截面轴压比的目的，在于要求柱应具有足够大的截面尺寸，以防止出现小偏压破坏，提高柱的变形能力，满足抗震要求。广东《规程》按建筑抗震设计规范（GBJ11—89）中所规定的柱子轴压比降低0.05取用（按截面的实际面积计算）；天津《规程》则根据箍筋间距与主筋直径之比、箍筋直径及抗震等级共同确定，其要求比广东《规程》严格，例如，对s/d＝5、4（即箍筋间距s＝100mm，纵筋直径d分别为20mm、25mm的情况），箍筋直径dv＝8mm，抗震等级为三级的L形截面，其轴压比限值分别为0.60，0.65。异形柱是从短肢剪力墙向矩形柱过渡的一种构件，柱肢截面的肢厚比（即肢长／肢宽）不大于4。《高规》（JGJ3—91）第5.3.4条，“抗震设计时，小墙肢的截面高度不宜小于3bw”，“一、二级剪力墙的小墙肢，其轴压比不宜大于0.6”。根据上述分析，为便于应用，建议在6度设防区，对于异形柱框架结构，L形截面柱的轴压比不应超过0.6（按截面的实际面积计算，下同），T形截面柱的的轴压比不应超过0.65，十字形截面柱的轴压比不应超过0.8；对于异形柱框架—剪力墙（或核心筒）结构，由于框架是第二道抗震防线，所以框架柱的轴压比限值可放宽到0.65（L形）、0.70（T形）、0.90（＋字形），但对于转换层下的支承柱，其轴压比仍不应超过0.60。
短柱在压剪作用下往往发生脆性的剪切破坏，设计中应尽量避免出现短柱。根据高长比不宜小于4，在梁高为600mm的前提下，当标准层层高为3.0m时，异形柱的最大肢长可为600mm；底层层高为4.2m时，肢长可为900mm。
4短肢剪力墙结构中转换层的设置高度及框支柱
在现代高层住宅的地下室和下部几层，由于停车和商业用房需较大空间，就得通过转换层来实现。在短肢剪力墙结构中，一般都只将电梯间、楼梯间、核心筒和一少部分剪力墙落地，其于剪力墙框支。
据研究表明［5］，“框支剪力墙结构当转换层位置较高时，转换层附近层间位移角及内力分布急剧突变，内力的传递仅靠转换层一层楼板的间接传力途径很难实现；转换层下部的‘框支’结构易于开裂和屈服，转换层上部几层墙体易于破坏。这种结构体系不利于抗震。高烈度区（9度及9度以上）不应采用；8度区可以采用，但应限制转换层设置高度，可考虑不宜超过3层；7度区可适当放宽限制。”因此，建议在6度抗震设防区，短肢剪力墙结构中转换层设置高度不宜超过5层，避免高位转换。转换层上下的层刚度比γ宜接近1，不宜超过2。转换层位置较高时，宜同时控制转换层下部“框支”结构的等效刚度（即考虑弯曲剪切和轴向变形的综合刚度），使EgJg与EcJc接近。EgJg为剪力墙结构的等效刚度，剪力墙结构高度取框支层的总高度，其平面和层高与转换层上部的剪力墙结构相同；EcJc为转换层下部“框支”结构的等效刚度。研究表明［5］，“控制转换层下部‘框支’结构的等效刚度对于减少转换层附近的层间位移角和内力突变是十分必要的，效果也很显著。”
规范对框支柱的内力、轴压比、配筋等的要求都严于普通柱。框支剪力墙结构当转换层位置较高时，如何定义框支柱，涉及到安全与经济的问题。根据圣维南原理，局部处理的影响只限于局部范围，所以当转换层位置较高（如高位转换）时，除转换层附近楼层的内力较复杂外，下面的结构受到的影响很小，应与普通框架结构基本一样，不必按框支柱处理。文献［6］计算了两个28层的结构，一为内筒外框架结构，一为内筒外框支结构，转换层设在18层。计算结果表明，转换层下二层的内力影响很大，下三层的内力误差最大为15%，下五层的内力已比较接近（最大误差小于10%）,下八层的内力已基本一样（最大误差小于5%）。这说明框支柱只需在五层范围内加以考虑，其它层的柱子按普通框架柱处理即可。因此，建议当转换层位置不超过五层时，转换层下的各层柱均按框支柱处理；当转换层位置超过五层时，转换层下相邻的五层柱按框支柱处理，而其它层的柱按普通框架柱处理。由于高位转换对抗震不利，所以结构设计中应尽量避免高位转换。
5短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节及概念设计
振动台模拟地震试验结果表明［7］，建筑平面外边缘及角点处的墙肢、底部的小墙肢、连梁等是短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节。当有扭转效应，建筑平面外边缘及角点处的墙肢会首先开裂；在地震作用下，高层短肢剪力墙结构将以整体弯曲变形为主，底部的小墙肢，截面面积小且承受较大的竖向荷载，破坏严重，尤其“一”字形小墙肢破坏最严重；在短肢剪力墙结构中，由于墙肢刚度相对减小，使连梁受剪破坏的可能性增加。因此，在短肢剪力墙结构设计中，对这些薄弱环节，更应加强概念设计和抗震构造措施。例如，短肢剪力墙在平面上分布要力求均匀，使其刚度中心和建筑物质心尽量接近，以减小扭转效应；适当增加建筑平面外边缘及角点处的墙肢厚度（宜取250mm，对底部的小墙肢根据需要可取用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0.6，以提高墙肢的承载力和延性；高层结构中连梁是一个耗能构件，连梁的剪切破坏会使结构的延性降低，对抗震不利，设计时应注意对连梁进行“强剪弱弯”的验算，保证连梁的受弯屈服先于剪切破坏；短肢剪力墙宜在两个方向均有梁与之拉结，连梁宜布置在各肢的平面内，避免采用“一”字形墙肢；短肢剪力墙底部加强部位的配筋应符合规范要求；等。
参考文献：
［1］戴教芳．多层框架异形柱设计探索［J］.工业建筑,1996,26(1):33-35.
［2］龙卫国．异形柱受力性能及结构设计有关问题探讨［J］．四川建筑，2000,20(2):50-52.
［3］赵玉祥．钢筋混凝土高层建筑设计中若干问题的探讨［J］．建筑结构学报.1998，19(2):12-22.
［4］赵艳静等．钢筋混凝土异形截面双向压弯柱延性性能的理论研究［J］．建筑结构.1999,29(1):16-21.
［5］徐培福等．转换层设置高度对框支剪力墙结构抗震性能的影响［J］．建筑结构.2000,30(1):38-42.
【关键词】建筑结构；剪力墙结构；应用分析
1引言
高层建筑是城市重要组成部分，建筑可以美化城市，而有一些标志性建筑甚至在某种意义上代表了这座城市城市，例如如广州的小蛮腰和上海的东方明珠塔，都是国际性大都市的标志。因此，城市和建筑互相依赖，彼此生存。如今，土地资源稀缺，高层建筑已成为城市建设的主体，是城市生活的主流建筑，也是当代建筑的发展趋势。随着人民生活水平的不断提高，对居住舒适性的要求也有所提高，特别是对住宅公寓的要求越来越高。剪力墙结构的壁厚与填充墙、平面的厚度是一致的，保证室内无框架柱突出，可有效提高空间利用率，因此，高层住宅剪力墙结构应用的十分广泛。
2建筑结构设计中剪力墙结构概念方案布置
剪力墙结构概念方案布置是进行剪力墙结构设计的前提，而布置设计的合理性与否对整个工程造价有很大的影响，下面对剪力墙结构布置进行简单的介绍。剪力墙布局应沿两个主轴方向双向进行布置，尽量做到分布均匀，这种安排，能够让两轴刚度尽可能接近。剪力墙集中布置会导致结构载荷中心和刚度中心偏移，造成较为严重的扭转效应。剪力墙的分散布置会导致梁板跨度加大和刚度分布不均匀，而在跨度增大时，会增加结构的重量，增加地震效应，从而增加工程造价；另一方面，剪力墙间距太大，以致于单片剪力墙承受荷载过大，增加了轴压比，从而对剪力墙延性设计产生影响。以及结构在不规则的地震扭转薄弱部位凸起后形成棱角。扭转大变形导致扭转破坏。因此，考虑剪力墙平面布置，应单独布置，并用对角线局部加强。在平面角部尽量布置L形墙肢，还可采取设置端柱及转角部位楼板中设置暗梁等构造措施进行加强，以达到提高其扭转刚度的目的。剪力墙竖向布置宜沿房屋高度通高布置、上下对齐、连续布置，墙厚及墙长沿高度宜均匀变化，以达到竖向刚度逐渐变小，从而能够有效避免竖向刚度发生突变情况。这样既经济又能满足承载力、侧向变形的要求。因此，剪力墙结构的布局对整个结构的合理性和经济性有直接的影响。目前，结构的经济性已成为结构设计中必须考虑的因素。在满足安全的前提条件下，最大限度地利用有限的资源，是结构工程师要去探索的问题。因此，在合理布置剪力墙的前提下，尽可能节约经济，降低工程造价。而对于结构的关键部分或者计算模型与实际情况不相吻合的部分，至少使用两种不同结构软件进行了分析计算，并进行了围护结构设计，加固了结构。在概念布局的早期阶段，结构设计师应与建筑师密切合作，确定合理的安排以避免不规则或严重的不规则的平面与立面。实现技术先进，安全适用，经济合理的总体设计，达到降低总成本的目的。
3剪力墙的特征及其种类
从整体上来说剪力墙的特点有下面几点，其侧向刚度很强。还有一个相对比较小的侧移，如果发生地震可以吸收更多的地震能量。在剪力墙结构的应用中，室内墙体很平整，但剪力墙结构，在施工的时候需要很多环节，所以造价相对较高。如果按照剪力墙结构开洞与否可分为以下几种：小开洞剪力墙、壁式框架、实体墙、双肢或多肢剪力墙等。这些剪力墙各有不同的应用特点，每个结构设计人员应针对具体的建筑结构，选择合适的剪力墙结构形式。
4建筑结构设计中剪力墙结构受力分析
剪力墙结构设计有自己的设计原理及其原则。由于剪力墙通常比普通墙的厚度大且宽，所以它的特征比较像板，但是还是有一定的区别，剪力墙通过压弯构件计算，板根据弯曲构件计算。因此有必要在结构设计分析中考虑到具体的设计差异。此外剪力墙墙肢长度，壁厚范围都有自己的特点，当高度和墙段比厚度小于或等于4，应按框架柱的结构设计；当墙肢截面高度与厚度之比大于8时，使用一般剪力墙；当墙肢截面高度与厚度之比在4~8之间时，则要使用短肢剪力墙，这些也是剪力墙的结构设计的基本原则。剪力墙结构由一系列纵向剪力墙和横向剪力墙以及由空间结构组成的梁板组成。在两种负荷的主要：一是竖向荷载，竖向荷载主要是梁板传来的活载、恒载、竖向地震作用及剪力墙身自重；其他主要是水平荷载，地震作用和水平风荷载。剪力墙内力和变形分析包括承载力极限状态和正常使用极限状态分析。在极限承载力状态下，剪力墙在各种工况下不受破坏，能安全承受重力荷载。在正常使用极限状态下，结构变形满足规范要求，在满足设计要求的基础上结构经久耐用。框架结构的变形主要是剪切变形，剪力墙的变形主要是弯曲变形。为了实现剪力墙的弯曲破坏的延性破坏模式。《高层建筑混凝土结构技术规程》中有规定，墙的长度最好不要超过8m。事实上，有两个主要因素影响剪力墙的破坏模式是轴压比和剪跨比，只要轴压比小于规定的限值而剪跨比大于2，可以实现延性破坏模式。当剪力墙的长度超过8m时，尽可能在墙体中部开洞，形成一个双墙肢，通过弱连梁连接，一般来说剪跨比也会大于2，可以满足延性破坏的要求。在地震作用下，通过连接梁的能量，梁端首先进入塑性变形，形成塑性铰，使梁成为抗震的第一道防线。
5连梁设计
高层住宅剪力墙结构，由于墙长较长时通过开洞或剪力墙平面内梁跨较小形成连梁，如果出现跨高比较小的连梁，在计算过程中，容易产生过度抗剪的连梁，通常有以下解决方案：①增大连梁的截面积，可以增强连梁本身的抗剪能力，但梁的刚度相应也会增加，吸收的地震力也会增加，只能增加有限的抗剪承载力。在梁宽固定的情况之下，可以使用加高梁高的方法；当梁高是一定的，可以扩大梁宽，增大断面的连接刚度，但宽度对连梁刚度贡献较小，仅是一个线性关系，使得分担剪力的增加值小于抗剪力的提高值。②调整设计内力，在提高连梁截面对提高抗剪承载力没有影响的状况下，可人为的降低连梁的刚度，来控制剪切力的分配比例，并解决了连梁的抗剪性能问题。最简单的控制方法是在计算参数选择时，通过调整连梁刚度折减系数，只有在采用内力配筋计算时才可以。在整个计算和非地震荷载作用下，连梁的刚度不会降低，连梁应具有足够的抗弯承载力和抗剪承载力，以满足正常使用的要求。对于跨高比大于5的连梁，应根据设计的框架梁，满足框架梁的要求。③可作水平缝从而形成双连梁、多连梁或其他结构措施，以提高抗剪承载力，如设置交叉暗支撑等措施，以提高连梁的抗剪承载力。
6结语
中国的国民经济和建筑结构设计整体水平与发展规模都在提升，高层建筑将成为现代建筑的主流。剪力结构在侧向刚度、侧向变形等方面具有一定的优势，在高层建筑中得到广泛应用。因此掌握剪力墙结构的特点，对剪力墙结构设计有很好的把握。我们要从设计的基本原则出发，设计更加经济合理的剪力墙结构。因此建筑结构设计人员要根据剪力墙结构设计原理有明确的认识，同时，不断从设计实践出发来推动中国建筑业整个工艺设计水平的提高。本文从剪力墙结构设计的概念开始。就建筑结构设计中剪力墙结构设计的应用进行了介绍，希望以此促进行业发展。
参考文献
[1]李捍文.剪力墙结构在建筑结构设计中的应用分析[J].科技创新与应用，2012（9）.
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[3]林涛，张景祯.建筑结构设计要点及计算模型调整[J].科技传播，2011（17）.
在进行建筑剪力墙机构结构设计时，要充分考虑到设计是否符合规范要求，是否满足实际运行的情况，在进行计算以后，把一些没有必要的多余量删除，计算一定要精准，多余量只能说明计算仍然缺少控制能力，在确保计算准确的情况下，有些甚至不需要看计算书或是建筑方案，这样就可以省去一些不必要的步骤，比如说剪力墙的结构刚度不能够过大，应该是以规定要求的楼层最小剪力系数为目标，这样可以使计算结果接近规范限值。在布置剪力墙的时候，我们应该将它布置成双向的，而不仅仅是单向设置，以此来形成空间的结构；尤其是对于那些抗震设计的剪力墙结构，更应该避免仅单向布置剪力墙。而将剪力墙布置成双向结构来形成的空间结构，我们可以利用这个优点来做些其他的设计，而且剪力墙自身对负重的能力较高，我们可以减少对材料的投资，并且减少材料本身对自然环境的污染。我们不仅达到了对剪力墙的优化设计目的，还减少了环境的污染，这样就符合我们原本意愿。我们这样还可以对规范的要求更加理解，做到灵活使用，让我们的设计更加完美。
2、剪力墙结构的优化设计
2.1对于剪力墙结构的设计，其应沿着主轴方向双向或多向布置。不同方向的剪力墙宜联结在一起，应尽量拉通、对直成为工形、T形、L型等有翼缘的墙，形成一定空间结构。抗震设计时，为了使其具有有较好的空间性能，不能单向设置剪力墙。应使两个受力方向的抗侧刚度相近，剪力墙墙肢截面宜简单、规则。为了能充分利用剪力墙结构的能力，在设计时必须减轻墙体结构的自量、加大空间面积、提高剪力墙的承载力和抗侧刚度等。除此之外，剪力墙的布置不能太密，使结构具有适宜的侧向刚度。若侧向刚度过大，不仅加大自重，还会使地震力增大。
2.2剪力墙墙段设计要求是墙体规则、竖向刚度均匀，门窗孔洞整齐，要有明确的剪力墙肢和连梁，它们之间的应力应该分布均匀，要符合目前常用的计算简图，避免一些刚度差异过大引起的问题。
2.3如果剪力墙较长，应先将其平均分成多个墙体，开挖孔洞，各剪力墙之间的连接部分采用弱连梁连接的方法。但值得注意的是，在进行抗震设计时，应尽量避免开挖孔洞，并且在两个孔洞之间形成墙体肢截面高度与厚度比小于四的小墙肢。当墙厚大于小墙肢截面的四分之一时，需按框架柱设计要求对箍筋进行全高加密。
2.4当剪力墙结构平面内的刚度和承重力较大，而平面外刚度和承载力相对较小。为了保证剪力墙平面外的稳定性，就应控制剪力墙平面外的弯矩。
2.5剪力墙的设置能够影响到结构的抗侧刚度的大小，为避免刚度发生改变，应自下而上连续布置。但是值得注意的是，若剪力墙沿高度不连续，会对导致剪力墙结构的刚度沿高度而发生突然变化。
3、剪力墙结构优化设计措施
3.1注重转换层结构设计
新时期高层建筑越来越多，使用功能也是逐渐的多样化，对于一些多功能的高层建筑来说，上下两部分的使用功能是不一样，因此就要考虑到转换层的结构设计，在设计的时候，要充分的考虑到大空间的剪力墙转换难度大，调整上下之间的刚度使之达到相互接近值，由于转换层本身的刚度和质量不应该大，可以通过在水平力的作用下，精确的分析转换层位移角是否均匀，通过仔细的分析可能存在的问题，研究具体结构的内分配问题，才能保证转换层结构设计的完整性。
3.2优化连梁设计
对于连梁非抗震及抗震设计，高跨比大于和小于2.5这两种情况，规范在截面受剪承载力以及配筋这两个方面都有明确的要求。塑性调幅可以采取以下两种方法：①将连梁的刚度在内力计算之前进行折减。②将连梁的弯矩与剪力的组合值在内力计算之后再乘上一个折减系数。不管是采用哪种方法，应该确保经过调整后连梁的弯矩、剪力设计值不得小于使用阶段实际值，也不得低于设防烈度低一度的地震组合所得的弯矩设计值。防止在正常使用状况下或者较小地震作用下产生裂缝，影响结构安全。另外，还必须要重视连梁的铰接处理。
3.3底部加强部位的设计优化
一般在进行高层剪力墙结构设计时，最底部分的高度可以获取嵌固部位以上，墙肢总高度的十分之一和底部两层的较大值；底部带转换层的高层建筑结构，其剪力墙底部加强部位的高度可取框支层加上框支层以上二层的高度及落地抗震墙肢总高度的十分之一二者的较大值。当将地下室顶板视作嵌固部位，在地震作用下的屈服部位将发生在地上楼层，同时将影响到地下一层，此时地下一层的抗震等级不能降低，加强部位的范围应向下延伸到地下一层，并应按规范要求在地下一层设置约束边缘构件。
4、结束语
湖南株洲某住宅小区由多栋多层和9～15层小高层住宅组成,框剪结构,总建筑面积为120000m2。以地上9层小高层为例,标准1层结构单元见图1,层高3m;9层上有个跃层为第10层,局部突出屋面部分为电梯机房。建筑总面积为4337.18m2,建筑总高为27.600m。本工程建筑结构的安全等级为二级,抗震设防类别为丙类,按6度设防,地面粗糙度为C类,场地土类别为Ⅱ类。
2结构方案布置分析与选择
原结构方案采用一般的剪力墙结构,这种结构形式对于房屋高度不太大的小高层建筑来说,这种结构会造成刚度过大,重量增加,导致地震反应过强,使得上部结构和基础造价提高。所以,为了有效提高经济指标,经多方案论证,决定采用短肢剪力墙结构体系。
短肢剪力墙结构是指墙肢截面高度为厚度5～8倍的剪力墙结构,和一般剪力墙相比,这种结构型式的优点在于:
1)墙肢较短,布置灵活,可调整性大,容易满足建筑平面的要求。
2)减少了剪力墙而代之以轻质砌体,结构自重相应减轻,从而减小结构整体刚度,增大振动周期,降低地震作用力。
3)墙肢高宽比较大,延性较好,对抗震有利。
4)连梁跨高比较大,以受弯破坏为主,地震作用下首先在弱连梁两端出现塑性铰,能起到很好的耗能作用。
5)墙肢的承载力得到了较充分的发挥。
目前,《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002已对短肢剪力墙结构的设计作出了规定。
在本住宅结构平面布置中,尽量使结构平面形状和刚度均匀对称,短肢剪力墙双向布置,尽量拉通、对直,竖向布置中,力求规划均匀,避免有过大的外挑、内收,以及楼层刚度沿竖向突变,使整个房屋的抗侧刚度中心靠近水平荷载合力的作用线,以免房屋发生扭转。
根据建筑的平面布置,在房间、楼梯间、电梯间的四角,采用Z形、L形、T形或异形的墙肢。在设计过程中还应注意同周期的关系,使结构的第一自振周期避开场地土的卓越周期,以免地基与结构形成共振或类共振,既保证结构在风和地震荷载作用下的变形控制在规范允许的范围内,又要保证建筑物有相对合理的自振周期,做到结构设计经济、合理且实用。
本方案根据上述分析并经过多次调试,得到了4种结构方案,结构平面布置见图2。剪力墙截面厚度同相邻砌体填充墙厚度均为100mm。剪力墙、梁混凝土强度等级为C30。板的混凝土强度等级均为C25。主要连梁的尺寸大都为200mm×400mm。标准层楼板厚度为120mm,顶层楼板厚度为150mm,有别于肢长肢厚比不大于4.0的异形柱,短肢剪力墙的肢长肢厚比按规范要求控制在5~8范围内,一般剪力墙的肢长肢厚比均大于8。值得注意的是,对肢长肢厚比为4~5范围内的墙肢,目前规范尚无明确条文规定其构件类型,故设计时建议不要采用。
由于原方案的剪力墙过多,使底部剪力过大,使结构很不经济,同时布置了少量钢筋混凝土柱子,使结构不是很合理。故方案1在一般剪力墙结构的基础上去掉了构造柱并减少了少量的剪力墙(见图2a)。
在方案1基础上适当的减少一些剪力墙,从而使方案更经济,在调试过程中由于F轴剪力墙较少,从而使电梯间X方向的剪力墙承受过大的剪力造成超筋,故把电梯间X方向的剪力墙开洞口,使结构X向的刚度减少。(见图2b)
方案3是在方案2的基础上改善了Y方向的刚度,使两个方向的刚度相接近,使结构更合理且均匀对称(见图2c)。
在方案3的基础上把Y向的一些T型剪力墙变成一字型,虽然在多层、高层住宅设计中剪力墙结构应尽量避免一字型,但由于该结构的实际情况,所以采用了部分一字型(见图2d)。
3上部结构设计计算结果分析
3.1计算结果分析
从构件力学特性上来说,短肢剪力墙的肢长与肢厚比≥5.0,更接近于剪力墙,故计算时将短肢剪力墙作为剪力墙而不是柱考虑应更合理。因此,结构整体计算采用中国建筑科学研究院开发的SATWE程序(2003年版)进行。SATWE采用的是在每个节点有六个自由度的壳元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙墙元不仅具有平面内刚度也具有平面外刚度,可以较好地模拟工程中剪力墙的真实受力状态,计算结果较精确;同时,对楼板SATWE可以考虑其弹性变形。虽然主楼结构平面较规则,立面也无刚度突变现象,但由于刚度较大的电梯井处筒体有点偏置,会产生扭转的影响,为了计算准确,地震作用计算考虑了结构的扭转耦联和5%偶然偏心的影响,取了27个振型计算。
1)自振周期的控制
考虑扭转耦联时的自振周期(计算时自振周期折减系数取0.8)如表1(只列了前6个)所示。从表1可得,方案4结构扭转为主的第一自振周期T3=0.9959s,平动为主的第一自振周期T1=1.1656s,T3/T1=0.854<0.9,满足(JGJ3-2002)
第4.3.5条的规定。
2)结构位移的控制
最大层间位移角(应≤1/1000)、最大水平位移与层平均位移的比值(不宜大于1.2,不应大于1.5)及最大层间位移与平均层间位移的比值(不宜大于1.2,不应大于1.5)见表2。从中可以看出,结构在风荷载和地震作用下的位移均能很好地满足规范限值。
3)剪重比控制
剪重比是反映结构承受地震作用大小的指标之一,地震力计算不能偏大,但也不能太小。因为短肢剪力墙本身抵抗地震的能力较差,如果短肢剪力墙分配的地震力太大,则很有可能不满足要求。本工程X方向的最小剪重比为4.50%,Y方向的最小剪重比为4.62%,根据“抗震规范”(5.2.5)条要求的X、Y向楼层最小剪重比均为3.20%,所以各层均满足要求。
4)轴压比是体现墙肢抵抗重力荷载代表值作用下的能力,“规范”对短肢剪力墙(尤其一字墙肢)要求更高一些。上述工程出现的短肢剪力墙轴压比在0.20~0.45之间,轴压比小于规范规定值。
3.2短肢剪力墙结构经济性分析
为了与工程实际情况相符,假设混凝土的成本与混凝土的体积成正比,钢筋的成本与钢筋的体积成正比。在总造价上,暂不考虑模板及楼板等工程的造价影响。材料的单方造价混凝土为430元/m3,钢筋4200元/t。表4为方案的经济指标汇总,由表4知,方案4比一般剪力墙结构在总造价上要节约17.8%,使材料得到了充分的发挥。
4结语
本文针对小高层住宅的结构特点,采用短肢剪力墙结构,在比普通剪力墙结构方案节省投资17.8%的情况下,使结构受力更合理,整体变形能力和结构吸能能力对抗震更为有利。本工程剪力墙结构的薄弱环节是建筑平面外边缘及角点处的墙肢,因而设计时在以上部位布置L型或一字型短肢墙,受条件所限也出现了少量一字型短肢墙,设计时严格控制其轴压比<0.6,且相差不应太悬殊,避免墙肢应力差异过大。高层建筑中的连梁是一个耗能构件,对抗震不利。多、高层结构设计中允许连梁的刚度有所下降。但应注意短肢剪力墙结构中,墙肢刚度相对较小,连接各墙肢的梁已类似普通框架梁,而不同于一般剪力墙间的连梁,不应在计算的总体中将连梁的刚度大幅下调,使其设计内力降低,应按普通框架梁的要求进行设计。
参考文献:
[1]高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2002)〔S〕1北京:中国建筑工业出版社,20021.
[2]建筑抗震设计规范(GB50011-2001)〔S〕1北京:中国建筑工业出版社,2001,1.
[3]李国胜.高层钢筋混凝土结构设计手册(第二版)〔M〕北京:中国建筑工业出版社,2003,1.
在建筑的竖向荷载中，其主要是由楼面荷载以及结构自重通过楼面传递到剪力墙的。其具有着两种表现形式，一种是由连梁所产生的弯矩，一种是墙肢内具有的轴力。在我们对竖向荷载进行计算时，主要是以其受荷面积进行计算的，而在水平荷载计算时，则主要是借助计算机的有限元方式对其进行计算，通过这种建筑受力情况的科学估算，能够有效地为我们后续的结构布置提供重要的基础数据。在高层建筑中，剪力墙结构一般都是以双向布置的方式形成空间结构。在剪力墙布置过程中，非常关键的一个问题就是要保证力所具有的均衡性，要通过建筑中心同刚度中心距离的接近避免建筑出现扭转效应。在对其实际布置时，我们会看到当剪力墙抗侧刚度过大时，其所具有的自振周期也会随之增大。面对此种情况，设计人员则可以通过加大墙体间距的方式使结构的抗侧移刚度能够得到降低，可以说，通过剪力墙的合理布置，能够有效地提升高层建筑的稳定性。
2剪力墙结构设计
对于剪力墙结构的设计是一个非常复杂、专业的过程，其中具有着很多个设计步骤。对此，就需要我们在对剪力墙结构进行设计之前就能够对剪力墙结构设计的步骤进行充分的了解，并对墙肢所具有的厚度与长度进行确定。之后，则需要开展连梁以及边缘构件的设计，最终对地震荷载进行计算。
2.1墙肢长度与厚度的设计
之前我们已经提到过，在剪力墙设计的过程中其长度不应当过长。对此，我们就需要对墙肢长度设置进行一定的控制，避免长度过长。一般来说，墙肢长度不应当超过8m，且跨高比应当大于6，并以此帮助我们获得更为稳定的剪力墙设计。在厚度方面，我们在实际设计时则需要能够对剪力墙所具有的稳定性以及刚度作出保证。通常来说，一般居民建筑的填充墙厚度会保持在200mm左右，在剪力墙厚度设计时也将其设置为200mm。而对于部分不含地下室的高层住宅来说，则将其基础埋深选择在2.5m以上，强度高度在5m以上，之后再根据适当的比例对剪力墙进行确定。但是对于这种方式来说，其很可能使最终的剪力墙厚度大于填充墙厚度，这也是非常不利于我们高层建筑设计的。对此，就需要我们在对剪力墙厚度设计时能够在联系建筑实际情况、相关建筑设计规程的基础上对其进行科学的设计。
2.2连梁的设计
连梁就是对墙肢之间进行连接的梁，其不仅能够帮助我们对不同墙肢进行连接，同时也能够在水平荷载的作用下使墙肢因为出现变形情况对连梁产生一种内力，并以这种内力的产生对墙肢施加一种稳定的约束作用。在实际设计中，首先需要重点关注的就是截面尺寸以及连梁跨高比这两个指标。如果连梁刚度过大，就需要我们对其进行适当的折减，但是，在对剪力墙进行设计时，仅仅根据相关的设计标准很难帮助我们实现配置的折减，对此，就需要我们能够允许其适当的出现开裂的情况，并以这种开裂情况的存在将内力转移到墙体上来实现折减的效果。而在折减过程中，也需要我们能够对折减的系数引起充分的重视，通常来说，如果防裂度较低，那么我们就可以根据情况折减的少一些，而如果防裂度较高，就可以折减的多一些。但是，无论我们折减的多、少，都需要保证折减系数应当大于或者等于0.5，因为只有在这种折减系数下才能够使连梁所承受到的竖向荷载能够得到保障。而在连梁刚度方面，我们则可以通过增加剪力墙洞口宽度的方式减小连梁刚度，因为当整体结构的刚度降低时，当发生地震时的地震作用也会因此降低，并可以保证连梁所具有的承载力不会出现超限的情况。另外，混凝土也是我们在设计时需要重点注意的问题，通过混凝土等级的提升，也能够对连梁抗剪承载力的不超限情况起到一个保障作用。
2.3边缘构件的设计
边缘构件也是我们在剪力墙设计过程中非常重要的一项工作。对于边缘构件而言，有约束边缘构件的矩形截面剪力墙和无约束边缘构件剪力墙相比有着明显的优势，具有着更高的基线承载力，同无约束情况相比其承载力能够提升约40%左右。而在类型方面，边缘构件主要有构造边缘构件以及约束边缘构件这两种，在实际应用的过程中都需要我们在联系建筑实际情况的基础上对其进行设置。
2.4地震荷载及内力设计
如果建筑主体结构布置情况较为简单，那么我们在对剪力墙结构进行设计时则可以通过空间协同平面框架的应用对其进行计算。而如果建筑主体结构布置情况较为复杂，我们则可以通过空间分析程序对其位移、内力等因素进行分析。同时，在实际设计过程中，我们也需要以简化计算的原则开展设计工作，且在对地盘长宽进行计算时需要能够在结合建筑主体结构长宽的基础上对其开展分析工作，并尽可能地以成比例的方式进行设计。
3结束语
剪力墙是指在建筑工程中用于承受地震、风荷载等作用引起的水平荷载墙体，剪力墙也可以称为抗震墙、抗风墙，剪力墙的主要目的是为了避免建筑承受剪切作用造成的破坏。剪力墙结构是指采用钢筋混凝土墙板承受来自水平方向和垂直方向荷载的结构，在剪力墙结构设计中，施工单位经常会使用钢筋混凝土墙板代替建筑物框架结构的梁柱，从而有效地控制建筑结构产生的荷载，剪力墙结构具有良好的刚度、抗震性，在建筑结构设计中有十分广泛的应用。
2剪力墙结构的设计原则
剪力墙的特点是外平面承载力小，内平面承载力大，外平面刚度小，内平面刚度大，因此，当剪力墙和外平面方向的梁连接时，会产生墙肢平面外弯矩，因此，在设计过程中，要尽量避免剪力墙的外平面搭接。在进行剪力墙结构设计时，要尽量沿着主轴的方向进行多向布置，尽可能的将不同方向的剪力墙连接在一起，但要防止出现拉通对直的现象;在进行抗震设计时，要尽量保证两个方向的侧向刚度相同，并且剪力墙结构要尽量简单，防止出现单向有墙的情况，同时要尽量保证各个方向的剪力墙分布均匀，从而充分发挥剪力墙结构的工作性能。剪力墙的数量要科学、合理，如果剪力墙比较多，会增加抗侧力的刚度，从而引起震力和重力的增加;如果剪力墙数量比较少，结构的抗侧力则会减小。
3建筑结构设计中剪力墙结构设计的应用
3．1剪力墙平面布置
在进行剪力墙平面布置时，要尽量防止出现单向有墙的情况，剪力墙要沿着主轴及其他方向进行双向、多向布置;剪力墙的抗侧力刚度不能太大，一般情况下，为了充分发挥剪力墙结构的抗侧力刚度和承载力，可以适当的增加剪力墙的间距，从而保证剪力墙结构的抗侧力刚度合适。设计人员可以根据经验公式T=(0．05－0．06)n(其中n为层数)，计算出T值，从而判断剪力墙的数量及侧向刚度。如果计算结果T比搭模计算周期T1大，则可以适当的增加剪力墙的数量;如果计算结果T比搭模计算周期T1小，则说明剪力墙比较多，可以适当的减少剪力墙的数量或者凿开一些合理的孔洞，降低剪力墙的刚度。
3．2约束边缘构件处理
无约束边缘构件剪力墙和有约束边缘构件剪力墙相比较，其极限承载力降低40%，极限层间位移角就会减少一倍，对地震能量的消耗能力就会减少20%，因此，在设计剪力墙结构时，要根据不同级别的剪力墙轴压比，选用相对应的边缘构件。剪力墙边缘构件可以分为约束边缘构件和构造边缘构件两种情况，对于一级剪力墙和二级剪力墙结构，当剪力墙底部加强部位上面的普通部位和三级、四级非抗震设计建筑底部加强部位轴压比小于相关规定时，要设置构造边缘构件;当一级剪力墙和二级剪力墙结构，当剪力墙底部加强部位和高层建筑、重力荷载作用下墙体的轴压比大于相关规定，要设置约束边缘构件。
3．3剪力墙墙身钢筋
在进行剪力墙结构设计时，一般情况下，对于四级抗震设计和非抗震设计，剪力墙水平方向和垂直方向的分布筋配筋率不能小于0．20%;对于一级、二级、三级抗震设计，剪力墙水平方向和垂直方向的分布筋配筋率要小于0．25%。
3．4剪力墙连梁问题
在剪力墙结构中，在水平荷载的作用下，墙肢会发生变形，从而引起连梁产生内力，这时连梁端部的内力会减小连接墙肢产生的变形内力，从而约束墙肢变形，连梁对剪力墙结构十分重要，因此，在进行剪力墙结构设计时，要注意连梁问题的处理。连梁超筋是剪力墙连梁常见的问题，其本质是剪力剪压比无法满足相关要求，当墙段比较长时，连梁容易超筋的部位大多集中在中间段;当墙段中墙肢截面高度相差比较大，并且分布不均匀时，墙肢处连梁容易出现超筋现象。出现连梁超筋现象后，可以采用以下几种方法进行处理:(1)可以通过调整剪力墙中连梁弯矩剪力塑形进行处理;(2)根据实际情况，适当的减少连梁截面高度;(3)当连梁破坏对垂直方向的荷载影响不大时，可以从地震作用的角度进行思考，放弃使用该连梁，计算独立墙肢在多遇地震情况下的结构内力，墙肢配筋则应按照两次计算得出的大内力进行。
4建筑剪力墙结构设计的要求
4．1平面结构布置
平面结构要具有良好的整体性，同时要做到简单、均匀对称、规则，对于长度、宽度比较大，或者不规则的平面结构，要设置合理的温度伸缩缝，从而有效地提高结构的整体性，为增强抗扭效果，要尽量沿着周边布置剪力墙，对于质量中心和结构刚度中心偏差比较大的结构，在地震作用下，受扭转力的影响会产生巨大的破坏，因此，在设计过程中要注意尽量将质量中心和结构刚度中心重合在一起。
4．2垂直结构布置
1.1剪力墙结构设计的概述
通常来说，一般剪力墙结构的建设规模较大，可实际厚度较小。因此，这种特点也决定了剪力墙结构的具体形状以及承受能力的大小。其中，剪力墙结构的组织形状相似于板状，自身具备了较高的承受能力，与柱子的受力程度非常相似。然而，在其他方面上，这两者有着十分明显的差异。并且，剪力墙结构是建筑结构中不可或缺的核心部分，设计人员在对其进行设计时，不仅要充分发挥剪力墙结构固有的承载力大和平面内刚度大的优点，还应该按照不同场所要求，设计出科学合理的剪力墙结构设计方案，使其发挥最大化的使用性能。
1.2剪力墙结构的分类
（1）虽然实体墙与截面剪力墙在某些方面，有着较大的差异。可是，这两者的开通面积与不开通面积是基本相同的。并且，这种剪力墙结构形式在发生变化时，也是呈现了曲线状态，是一种固定不变的形态。
（2）即使剪力墙开口不大，但因为剪力墙开通面积已经远远超出了规定范围。所以，此时的剪力墙结构呈现的是弯曲状态，并且无任何的阻挡点，从而导致其位置和形态均发生了不同程度的变化。
2.剪力墙建筑结构的厚度和长度的选取
剪力墙墙肢截面的高度就是剪力墙墙肢的长度，这个长度一般不应超过8m。在剪力墙结构设计中应确保剪力墙结构的延性，为了避免脆性的剪切破坏，可将高宽比大于2的细高剪力墙设计成弯曲破坏的延性剪力墙。但是有的墙体长度很长，为了确保墙体的高宽比值大于2，就要采取开设洞口的方法将长墙分成均匀的、长度较小的连肢墙，而其洞口则最好采用约束弯矩比较小的弱连梁。
3.剪力墙建筑结构设计计算的原则
设计人员在对剪力墙结构进行设计时，应该遵守相应的设计原则，真正做好考察工作，坚决不可以采用盲目的设计方法。只有这样，才能确保剪力墙结构设计的规范性，这也是保证建筑结构安全可靠性的重要表现。
3.1楼层之间最小剪力系数的调整原则
一般情况下，为了防止安全隐患的发生，减轻建筑结构的自身重量，设计人员在对建筑工程进行设计的过程中，可以采用减少剪力墙布置的方法。但是，这种设计形式有一个必要的前提条件，那就是短肢剪力墙的力矩必须保持在规范的标准要求内。同时还可以应用大开间的剪力墙结构，以此来提高建筑结构的强度，充分保证楼层剪力系数的安全性，并从一定程度上，大大降低了工程造价成本。
4.剪力墙结构优化设计的几点建议
我们知道，剪力墙结构作为建筑结构设计中至关重要的一个环节，其设计质量的好坏将会对建筑工程建设质量产生非常大的影响。而这种建筑结构形式因为具备较高的强度以及良好的延展性的优点，因此得到了十分广泛的应用，充分发挥了自身的有效价值。但是，在实际应用过程中，由于建筑工程存在很多的不确定性，当剪力墙结构发生明显的变化状态时，常常会受到一些外力因素的破坏，使得剪力墙结构的抗震性能遭到了一定的影响，同时也大大降低了建筑结构的稳定性。一般情况下，剪力墙结构最大的优点是具备了十分理想的承载能力。并且，在剪力墙结构的侧面部分，也拥有着较大的平面内刚度，这就充分保障了建筑物的安全性。另外，在建筑内部的剪力墙结构设计中，石柱与房梁都是隐蔽起来的，有效的提高了建筑室内的美感。但是，剪力墙结构也存在着较大的缺陷，无法为人们提供更多的可利用空间，经常会给人们的日常生活造成许多的不便。通过相关调查数据表明是刚韧性较强的剪力墙，在地震发生时，房屋所受到的损坏是最小的。但是，建筑设计人员一定要注意将其控制在合理的范围内，不允许其随意的扩散发展。从而确保剪力墙结构设计工作的质量和效率。其次，由于剪力墙结构成本费用较高，这无疑会对建筑工程建设成本上造成一定的压力。因此，建筑企业要采取及时有效的解决对策，尽可能减少工程成本的浪费，促剪力墙结构能够正常运行。
5.结束语
