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摘要：本文作者阐述了剪力墙结构的相关概念，对小高层建筑的剪力墙设计进行了分析研究,供大家参考。
关键词：剪力墙设计;小高层建筑;边缘构件
中图分类号：TU984 文献标识码：A 文章编号：
建筑设计中剪力墙运用具有较好的抗震性能,且结构布置灵活,造价低,经济性好,所以小高层住宅较多的使用这种设计形式。经过对设计、施工和使用中发现的问题进行总结,进一步优化,这种结构形式的小高层住宅是值得发展的住宅模式。总之,对小高层建筑设计一般力求合理性与经济性,建筑设计中要合理把握关键部位及次要部分,这也是小高层建筑设计中需要努力改进的方向。
1 剪力墙结构概述
1.1 剪力墙的概念和结构效能
建筑物中的竖向承重构件主要由墙体承担时,这种墙体既承担水平构件传来的竖向荷载,同时承担风力或地震作用传来的水平地震作用。剪力墙即由此而得名(抗震规范定名为抗震墙)。
剪力墙是建筑物的分隔墙和围护墙,因此墙体的布置必须同时满足建筑平面布置和结构布置的要求。
剪力墙结构体系,有很好的承载能力,而且有很好的整体性和空间作用,比框架结构有更好的抗侧力能力,因此,可建造较高的建筑物。
剪力墙结构的优点是侧向刚度大,在水平荷载作用下侧移小,其缺点是剪力墙的间距有一定限制,建筑平面布置不灵活,不适合要求大空间的公共建筑,另外结构自重也较大,灵活性就差。一般适用住宅、公寓和旅馆。剪力墙结构的楼盖结构一般采用平板,可以不设梁,所以空间利用比较好,可节约层高。.
1.2 普通剪力墙结构的结构布置
1.2.1 平面布置。剪力墙结构中全部竖向荷载和水平力都由钢筋混凝土墙承受,所以剪力墙应沿平面主要轴线方向布置。(1)矩形、L形、T形平面时,剪力墙沿两个正交的主轴方向布置;(2)三角形及Y形平面可沿三个方向布置;(3)正多边形、圆形和弧形平面,则可沿径向及环向布置。
单片剪力墙的长度不宜过大:(1)长度很大的剪力墙,刚度很大将使结构的周期过短,地震力太大不经济;(2)剪力墙以处于受弯工作状态时,才能有足够的延性,故剪力墙应当是高细的,如果剪力墙太长时,将形成低宽剪力墙,就会由受剪破坏,剪力墙呈脆性,不利于抗震。故同一轴线上的连续剪力墙过长时,应用楼板或小连梁分成若干个墙段,每个墙段的高宽比应不小于2。
1.2.2 每个墙段可以是单片墙,小开口墙或联肢墙。每个墙肢的宽度不宜大于8.0m,以保证墙肢是由受弯承载力控制,和充分发挥竖向分布筋的作用。内力计算时,墙段之间的楼板或弱连梁不考虑其作用,每个墙段作为一片独立剪力墙计算。
2 建筑剪力墙设计
剪力墙所承受的竖向荷载,一般是结构自重和楼面荷载,通过楼面传递到剪力墙。竖向荷载除了在连梁(门窗洞口上的梁)内产生弯矩以外,在墙肢内主要产生轴力。可以按照剪力墙的受荷面积简单计算。
在水平荷载作用下,剪力墙受力分析实际上是二维平面问题,精确计算应该按照平面问题进行求解。可以借助于计算机,用有限元方法进行计算。计算精度高,但工作量较大。在工程设计中,可以根据不同类型剪力墙的受力特点,进行简化计算。
整体墙和小开口整体墙:在水平力的作用下,整体墙类似于一悬臂柱,可以按照悬臂构件来计算整体墻的截面弯矩和剪力。小开口整体墙,由于洞口的影响,墙肢间应力分布不再是直线,但偏离不大。可以在整体墙计算方法的基础上加以修正。
联肢墙:联肢墙是由一系列连梁约束的墙肢组成,可以采用连续化方法近似计算。
壁式框架:壁式框架可以简化为带刚域的框架,用改进的反弯点法进行计算。
框支剪力墙和开有不规则洞口的剪力墙:此两类剪力墙比较复杂,最好采用有限元法借助于计算机进行计算。
框架结构和剪力墙结构,两种结构体系在水平荷载下的变形规律是完全不相同的。框架的侧移曲线是剪切型,曲线凹向原始位置;而剪力墙的侧移曲线是弯曲型,曲线凸向原始位置。在框架—剪力墙(以下简称框-剪)结构中,由于楼盖在自身平面内刚度很大,在同一高度处框架、剪力墙的侧移基本相同。这使得框—剪结构的侧移曲线既不是剪切型,也不是弯曲型,而是一种弯、剪混合型,简称弯剪型。在结构底部,框架将把剪力墙向右拉;在结构顶部,框架将把剪力墙向左推。因而,框—剪结构底部侧移比纯框架结构的侧移要小一些,比纯剪力墙结构的侧移要大一些;其顶部侧移则正好相反。框架和剪力墙在共同承担外部荷载的同时,二者之间为保持变形协调还存在着相互作用。框架和剪力墙之间的这种相互作用关系,即为协同工作原理。
考虑地震作用组合的剪力墙,其正截面抗震承载力应按规定计算,但在其正截面承载力计算公式右边,应除以相应的承载力抗震调整系数γRE。剪力墙各墙肢截面考虑地震作用组合的弯矩设计值:对一级抗震等级剪力墙的底部加强部位及以上一层,应按墙肢底部截面考虑地震作用组合弯矩设计值采用,其他部位可采用考虑地震作用组合弯矩设计值乘以增大系数。
3 小高层中剪力墙设计实例
3.1 布置
剪力墙布置必须均匀合理,使整个建筑物的质心和刚心趋于重合,且X,Y 两向的刚重比接近。在结构布置应避免一字形剪力墙,若出现则应布置成长墙(h/w>8);应避免楼面主梁平面外搁置在剪力墙上,若无法避免,则剪力墙相应部位应设置暗柱,当梁高大于墙厚的2.5倍时,应计算暗柱配筋,转角处墙肢应尽可能长,因转角处应力容易集中,有条件两个方向均应布置成长墙。
3.2 配筋及构造
对于小高层住宅来说,剪力墙是面广量大的,因此合理的控制剪力墙配筋对于结构安全及工程的经济性具有十分重要的作用。
3.3 剪力墙墙体配筋(以200厚墙体为例)
一般要求水平钢筋放在外侧,竖向钢筋放在内侧。配筋满足计算及规范建议的最小配筋率即可。加强区φ10@200,非加强区φ8@200 双层双向即可,双排钢筋之间采用φ6@600×600 拉筋。但地下部分墙体配筋则另当别论。因为地下部分墙体配筋大多由水压力,土压力产生的侧压力控制,而由于简化计算经常由竖向筋控制,此种情况下为增大计算墙体有效高度,可将地下部分墙体的水平筋放在内侧,竖向钢筋放在外侧。
3.4 设置边缘构件
一、二级抗震设计的剪力墙底部加强部位及其上一层的墙肢端部应设置约束边缘构件。对于普通剪力墙,其暗柱配筋满足规范要求的最小配筋率,建议加强区0.7%,一般部位0.5%。对于短肢剪力墙,控制配筋率加强区1.2%,一般部位1.0%;对于小墙肢其受力性能较差,应严格按高规控制其轴压比,宜按框架柱进行截面设计,并应控制其纵向钢筋配筋率加强区1.2%,一般部位1.0%;而对于一个方向长肢另一方向短肢的墙体,设计中往往就按长肢墙进行暗柱配筋。
3.5 合理配筋
剪力墙中的连梁跨度小,截面高度大,在地震作用下弯矩、剪力很大,有时很难进行设计,如果加大连梁高度,配筋值有时反而更大。对于窗洞楼面至窗台部分可用砖或其他轻质材料砌筑。对于窗台有飘窗时,可再增加一根梁,两根梁之间用砖填充。连梁配筋应对称配置,腰筋同墙体水平筋。
参考文献：
[1] 周红萍.剪力墙结构高层住宅的结构设计[J].安徽建筑,2011,(06).
[2] 张亮.浅议高层住宅剪力墙结构设计中应注意的问题[J].才智,2008,(17).
[3] 刘聚利,武瑞琴.高层剪力墙结构住宅结构设计体会[J].河北煤炭,2010,(S1).
[4] 鲍峰.浅析高层住宅剪力墙结构设计中的一些问题[J].黑龙江科技信息,2009,(09).
[5] 李涛.小高层剪力墙结构住宅的设计方法[J].科技风,2008,(24).
[6] 施晓.钢筋混凝土异形柱框架-剪力墙结构在小高层住宅设计中的应用[J].铁道标准设计,2012,(01).
关键词：剪力墙设计;小高层建筑;边缘构件
中图分类号：TU984 文献标识码：A 文章编号：
建筑设计中剪力墙运用具有较好的抗震性能,且结构布置灵活,造价低,经济性好,所以小高层住宅较多的使用这种设计形式。经过对设计、施工和使用中发现的问题进行总结,进一步优化,这种结构形式的小高层住宅是值得发展的住宅模式。总之,对小高层建筑设计一般力求合理性与经济性,建筑设计中要合理把握关键部位及次要部分,这也是小高层建筑设计中需要努力改进的方向。
1 剪力墙结构概述
1.1 剪力墙的概念和结构效能
建筑物中的竖向承重构件主要由墙体承担时,这种墙体既承担水平构件传来的竖向荷载,同时承担风力或地震作用传来的水平地震作用。剪力墙即由此而得名(抗震规范定名为抗震墙)。
剪力墙是建筑物的分隔墙和围护墙,因此墙体的布置必须同时满足建筑平面布置和结构布置的要求。
剪力墙结构体系,有很好的承载能力,而且有很好的整体性和空间作用,比框架结构有更好的抗侧力能力,因此,可建造较高的建筑物。
剪力墙结构的优点是侧向刚度大,在水平荷载作用下侧移小,其缺点是剪力墙的间距有一定限制,建筑平面布置不灵活,不适合要求大空间的公共建筑,另外结构自重也较大,灵活性就差。一般适用住宅、公寓和旅馆。剪力墙结构的楼盖结构一般采用平板,可以不设梁,所以空间利用比较好,可节约层高。.
1.2 普通剪力墙结构的结构布置
1.2.1 平面布置。剪力墙结构中全部竖向荷载和水平力都由钢筋混凝土墙承受,所以剪力墙应沿平面主要轴线方向布置。(1)矩形、L形、T形平面时,剪力墙沿两个正交的主轴方向布置;(2)三角形及Y形平面可沿三个方向布置;(3)正多边形、圆形和弧形平面,则可沿径向及环向布置。
单片剪力墙的长度不宜过大:(1)长度很大的剪力墙,刚度很大将使结构的周期过短,地震力太大不经济;(2)剪力墙以处于受弯工作状态时,才能有足够的延性,故剪力墙应当是高细的,如果剪力墙太长时,将形成低宽剪力墙,就会由受剪破坏,剪力墙呈脆性,不利于抗震。故同一轴线上的连续剪力墙过长时,应用楼板或小连梁分成若干个墙段,每个墙段的高宽比应不小于2。
1.2.2 每个墙段可以是单片墙,小开口墙或联肢墙。每个墙肢的宽度不宜大于8.0m,以保证墙肢是由受弯承载力控制,和充分发挥竖向分布筋的作用。内力计算时,墙段之间的楼板或弱连梁不考虑其作用,每个墙段作为一片独立剪力墙计算。
2 建筑剪力墙设计
剪力墙所承受的竖向荷载,一般是结构自重和楼面荷载,通过楼面传递到剪力墙。竖向荷载除了在连梁(门窗洞口上的梁)内产生弯矩以外,在墙肢内主要产生轴力。可以按照剪力墙的受荷面积简单计算。
在水平荷载作用下,剪力墙受力分析实际上是二维平面问题,精确计算应该按照平面问题进行求解。可以借助于计算机,用有限元方法进行计算。计算精度高,但工作量较大。在工程设计中,可以根据不同类型剪力墙的受力特点,进行简化计算。
整体墙和小开口整体墙:在水平力的作用下,整体墙类似于一悬臂柱,可以按照悬臂构件来计算整体墻的截面弯矩和剪力。小开口整体墙,由于洞口的影响,墙肢间应力分布不再是直线,但偏离不大。可以在整体墙计算方法的基础上加以修正。
联肢墙:联肢墙是由一系列连梁约束的墙肢组成,可以采用连续化方法近似计算。
壁式框架:壁式框架可以简化为带刚域的框架,用改进的反弯点法进行计算。
框支剪力墙和开有不规则洞口的剪力墙:此两类剪力墙比较复杂,最好采用有限元法借助于计算机进行计算。
框架结构和剪力墙结构,两种结构体系在水平荷载下的变形规律是完全不相同的。框架的侧移曲线是剪切型,曲线凹向原始位置;而剪力墙的侧移曲线是弯曲型,曲线凸向原始位置。在框架—剪力墙(以下简称框-剪)结构中,由于楼盖在自身平面内刚度很大,在同一高度处框架、剪力墙的侧移基本相同。这使得框—剪结构的侧移曲线既不是剪切型,也不是弯曲型,而是一种弯、剪混合型,简称弯剪型。在结构底部,框架将把剪力墙向右拉;在结构顶部,框架将把剪力墙向左推。因而,框—剪结构底部侧移比纯框架结构的侧移要小一些,比纯剪力墙结构的侧移要大一些;其顶部侧移则正好相反。框架和剪力墙在共同承担外部荷载的同时,二者之间为保持变形协调还存在着相互作用。框架和剪力墙之间的这种相互作用关系,即为协同工作原理。
考虑地震作用组合的剪力墙,其正截面抗震承载力应按规定计算,但在其正截面承载力计算公式右边,应除以相应的承载力抗震调整系数γRE。剪力墙各墙肢截面考虑地震作用组合的弯矩设计值:对一级抗震等级剪力墙的底部加强部位及以上一层,应按墙肢底部截面考虑地震作用组合弯矩设计值采用,其他部位可采用考虑地震作用组合弯矩设计值乘以增大系数。
3 小高层中剪力墙设计实例
3.1 布置
剪力墙布置必须均匀合理,使整个建筑物的质心和刚心趋于重合,且X,Y 两向的刚重比接近。在结构布置应避免一字形剪力墙,若出现则应布置成长墙(h/w>8);应避免楼面主梁平面外搁置在剪力墙上,若无法避免,则剪力墙相应部位应设置暗柱,当梁高大于墙厚的2.5倍时,应计算暗柱配筋,转角处墙肢应尽可能长,因转角处应力容易集中,有条件两个方向均应布置成长墙。
3.2 配筋及构造
对于小高层住宅来说,剪力墙是面广量大的,因此合理的控制剪力墙配筋对于结构安全及工程的经济性具有十分重要的作用。
3.3 剪力墙墙体配筋(以200厚墙体为例)
一般要求水平钢筋放在外侧,竖向钢筋放在内侧。配筋满足计算及规范建议的最小配筋率即可。加强区φ10@200,非加强区φ8@200 双层双向即可,双排钢筋之间采用φ6@600×600 拉筋。但地下部分墙体配筋则另当别论。因为地下部分墙体配筋大多由水压力,土压力产生的侧压力控制,而由于简化计算经常由竖向筋控制,此种情况下为增大计算墙体有效高度,可将地下部分墙体的水平筋放在内侧,竖向钢筋放在外侧。
3.4 设置边缘构件
一、二级抗震设计的剪力墙底部加强部位及其上一层的墙肢端部应设置约束边缘构件。对于普通剪力墙,其暗柱配筋满足规范要求的最小配筋率,建议加强区0.7%,一般部位0.5%。对于短肢剪力墙,控制配筋率加强区1.2%,一般部位1.0%;对于小墙肢其受力性能较差,应严格按高规控制其轴压比,宜按框架柱进行截面设计,并应控制其纵向钢筋配筋率加强区1.2%,一般部位1.0%;而对于一个方向长肢另一方向短肢的墙体,设计中往往就按长肢墙进行暗柱配筋。
3.5 合理配筋
剪力墙中的连梁跨度小,截面高度大,在地震作用下弯矩、剪力很大,有时很难进行设计,如果加大连梁高度,配筋值有时反而更大。对于窗洞楼面至窗台部分可用砖或其他轻质材料砌筑。对于窗台有飘窗时,可再增加一根梁,两根梁之间用砖填充。连梁配筋应对称配置,腰筋同墙体水平筋。
参考文献：
[1] 周红萍.剪力墙结构高层住宅的结构设计[J].安徽建筑,2011,(06).
[2] 张亮.浅议高层住宅剪力墙结构设计中应注意的问题[J].才智,2008,(17).
[3] 刘聚利,武瑞琴.高层剪力墙结构住宅结构设计体会[J].河北煤炭,2010,(S1).
[4] 鲍峰.浅析高层住宅剪力墙结构设计中的一些问题[J].黑龙江科技信息,2009,(09).
[5] 李涛.小高层剪力墙结构住宅的设计方法[J].科技风,2008,(24).
[6] 施晓.钢筋混凝土异形柱框架-剪力墙结构在小高层住宅设计中的应用[J].铁道标准设计,2012,(01).