关于短肢剪力墙结构设计的研究
摘要:短肢剪力墙结构是一个结构领域的名词，确切的应称其为较多短肢的剪力墙结构，由于其有利于住宅建筑布置，进一步减轻了结构自重，从而降低了基础及上部结构的造价，备受青睐应用广泛。本文笔者对短肢剪力墙结构的定义及优点进行了简介，阐述其布置原则，介绍常用结构分析程序的选择，对其体系的计算结果作了分析，并作出相关探讨仅供同行参考。
关键词：短肢剪力墙；布置原则；计算分析；构造措施
1短肢剪力墙结构的优点
与常用的框架——抗震墙体系相比，框架——抗震墙体系具有受力明确、计算简单等优点，但其柱子截面大、梁柱外露，影响美观和使用，在平面复杂多变的情况下结构布置体系难趋合理，结构分析计算困难。而短肢剪力墙体系，墙肢和梁可隐蔽，结构布置灵活，墙的数量和肢长根据抗侧力的需要而定，数量可多可少，肢长可长可短，还可通过不同的尺寸和布置以调整刚度和刚度中心的位置。
与常用的剪力墙体系相比，短肢剪力墙体系具有如下优点: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。
2短肢剪力墙结构体系的布置原则
2.1平面布置
短肢剪力墙一般用在10层～25层之间，按“高规”分类属A级高度高层建筑。平面布置应遵守的一般要求:宜使结构平面形状简单、规则，刚度和承载力均匀；宜选用风荷载作用较小的平面形状；平面长度不应过长，突出部分不应过大；不宜采用角部重叠的平面图形或细腰形平面图形。
但是，短肢剪力墙亦有以下几个特点:在结构布置时不应采用全部墙肢均为短肢墙的结构方案，必须布置筒体，形成短肢剪力墙与筒体共同抵抗水平力的剪力墙结构。全部由短肢剪力墙构成的结构体系在地震作用下，其内力一变形曲线非常接近纯框架结构。而短肢剪力墙一筒体结构在地震作用下，其内力一变形曲线和框架一剪力墙结构很类似，这是因为大多数由若干短肢剪力墙一弱连梁构成的墙片受力性能非常接近壁式框架。显然，按纯框架结构，它的允许最大高度较短肢剪力墙一简体结构要低得多，而且不符合结构体系应有多道抗震防线的抗震设防思想。所以，短肢剪力墙结构一定要有一定数量的筒体，以短肢墙间的边梁为第一道防线，短肢墙为第二道防线，以筒体为第三道纺线，构成一个有效的抗震设防体系。短肢剪力墙结构类似剪力墙结构，适用于小开间的民用建筑如住宅、旅馆、宿舍等，在平面布置时，应注意使梁的净跨度不要太大，否则，梁的配筋很多，结点钢筋密集，对施工造成很大的困难，也不利于抗震。应控制剪力墙平面外的弯矩，短肢剪力墙宜设置翼缘，不宜布置与一字形短肢剪力墙单面相交的楼面梁。
2.2竖向布置
短肢剪力墙——筒体结构的竖向布置也应符合A级高度高层建筑的一般要求:高层建筑的竖向体形宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收。结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，不应采用竖向严重不规则的结构。抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度平均值不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70％，或其上相邻三层侧向刚度平均值的80％。楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的80％。抗震设计时，结构的竖向抗侧力件宜上下连续贯通。剪力墙沿竖向宜连续分布，上到顶下到底，中间楼层不宜中断。墙厚度沿竖向应逐渐减薄，在改变截面厚度时不宜变化太大。厚度改变与混凝土强度等级的改变宜错开楼层，避免结构刚度突变。
3短肢剪力墙结构的计算分析
3.1设计软件
短肢剪力墙结构的内力和位移计算，目前应用最多的有两类:
1）以薄壁杆理论为基础的软件如TAT，TBSA；
2）以墙元理论为基础的软件如SATWE，SSW，TUS2000等。
在设计时，应根据具体情况选择合适的软件进行计算，必要时，还应进行多软件的分析比较。在TAT，TBSA中，只需将剪力墙输入即可，而且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，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，运算速度较墙元模型的软件快很多。但是，薄壁杆件模型在分析剪力墙较为低宽、结构布置复杂时，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，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也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、核心筒和少部分剪力墙落地，基余剪力墙采用框支。框支剪力墙是受力面向受力点过渡，由于薄壁杆件的连续处是点连接，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进行计算。目前软件并不能做出对这个问题的判断，这就要求设计人员独立进行判断。
判断方法有两种:
①利用软件输出的基本振型下的底层内力，复核筒体和一般剪力墙的地震倾覆弯矩是否不小于50％结构总底部地震倾覆力矩；
②计算结构的刚度，判断结构的底层侧移刚度中筒体和一般剪力墙在结构总侧移刚度中所占的比例。
3.2短肢剪力墙结构体系计算结果分析、判断和调整采用软件对短肢剪力墙结构体系计算后，应对计算结构进行如下分析、判断和调整。
地震作用采用振型分解反应谱法分析，目前，住宅建筑设计的平面和立面往往不规则，宜考虑扭转耦联影响，应根据振型有效质量系数是否大于90％来确定振型数。计算地震作用时，其第一周期对短肢剪力墙结构一般应控制T1=0.04N～0.08N(N为结构计算层数)。
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。由于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。
轴压比是体现墙肢抵抗重力荷载代表值作用下的能力。抗震设计时，各层短肢剪力墙轴压抗震等级为一级，二级，三级时分别不宜大于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。
在进行短肢剪力墙结构整体设计时，主要是对刚度要求的控制。房屋的层间位移与层高比及质点位移与总高之比等，指标规范中均有明确的规定。在6度区，当位移角较小时，一般剪力墙结构位移比可适当放宽，短肢剪力墙部分的位移要求应从严控制；同时还应加强顶层设计，在顶层端开间内、外墙处，应考虑温度作用下的变形影响，适当加大顶层墙体的水平及竖向配筋数量。
计算时应考虑小塔楼(电梯机房、屋顶水箱)的鞭梢效应，出屋面短肢剪力墙应相应提高其强度和延性。
3.3关于构造措施
短肢剪力墙结构中的短肢墙受力以承担竖向荷载为主，承担水平荷载为辅。因此，当短肢剪力墙较多时，潜在的危险有两方面:
①在剪力墙筒体出现问题以后，很弱的短肢剪力墙没有足够的延性和承载力，可能随之而破坏；
②短肢剪力墙本身在弹塑性阶段抵抗竖向荷载的能力，如果短肢剪力墙失效，虽然结构仍然可以依靠其他剪力墙或井筒抵抗地震作用，但是承受竖向荷载的梁板将受到严重威胁，有时会发生“连续倒塌”。因此，对短肢剪力墙结构较多的剪力墙结构在进行结构分析和截面设计时，应采取比一般剪力墙结构更严的措施：
应使短肢剪力墙具有足够的延性，抗震设计时，短肢剪力墙的抗震等级应比一般剪力墙的抗震等级提高一级。
为避免短肢剪力墙过早剪坏，应按高规要求提高剪力增大系数，以提高抗剪能力，实现强剪弱弯的短肢墙。为提高短肢墙在竖向荷载下的承载力，应增大纵向钢筋的全截面配筋率，底部加强区不宜小于1.2％，其他部位不宜小于1.0％。高层短肢剪力墙结构在水平力作用下，显现整体弯曲变形为主，底部外围小墙肢承受较大的竖向荷载和扭转剪力，因而对外周边墙肢应加大厚度和配筋量，加强小墙肢的延性抗震性能。
短肢剪力墙结构的抗震薄弱部位是建筑平面外边缘的角部处的墙肢，当有扭转效应时，会加剧已有的翘曲变形，使其墙肢首先开裂，应加强其抗震构造措施，如减小轴压比、增大纵筋和箍筋的配筋率。
为了确保水平力可靠传递，核心区楼板应适当加厚，与核心筒相连的连梁按强剪弱弯设计时，短肢墙之间的梁净跨不宜过小。
总之，在短肢剪力墙结构设计中，除了合理的结构体系布置和采用合适的软件进行计算分析外，短肢剪力墙的构造措施是结构设计中不容忽视的重要一环。
参考文献：
[1]吴勇苏晓韵短肢剪力墙结构设计的几个问题探讨[J]
[2]杨万青高运月高层建筑短肢剪力墙结构设计探讨[J]
[3]GB50011-22001建筑抗震设计规范[S]