小高層建筑短肢剪力墻結構設計論文

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1工程概況

湖南株洲某住宅小區由多棟多層和9～15層小高層住宅組成,框剪結構,總建筑面積為120000m2。以地上9層小高層為例,標準1層結構單元見圖1,層高3m;9層上有個躍層為第10層,局部突出屋面部分為電梯機房。建筑總面積為4337.18m2,建筑總高為27.600m。本工程建筑結構的安全等級為二級,抗震設防類別為丙類,按6度設防,地面粗糙度為C類,場地土類別為Ⅱ類。

2結構方案布置分析與選擇

原結構方案采用一般的剪力墻結構,這種結構形式對于房屋高度不太大的小高層建筑來說,這種結構會造成剛度過大,重量增加,導致地震反應過強,使得上部結構和基礎造價提高。所以,為了有效提高經濟指標,經多方案論證,決定采用短肢剪力墻結構體系。

短肢剪力墻結構是指墻肢截面高度為厚度5～8倍的剪力墻結構,和一般剪力墻相比,這種結構型式的優點在于:

1)墻肢較短,布置靈活,可調整性大,容易滿足建筑平面的要求。

2)減少了剪力墻而代之以輕質砌體,結構自重相應減輕,從而減小結構整體剛度,增大振動周期,降低地震作用力。

3)墻肢高寬比較大,延性較好,對抗震有利。

4)連梁跨高比較大,以受彎破壞為主,地震作用下首先在弱連梁兩端出現塑性鉸,能起到很好的耗能作用。

5)墻肢的承載力得到了較充分的發揮。

目前,《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2002已對短肢剪力墻結構的設計作出了規定。

在本住宅結構平面布置中,盡量使結構平面形狀和剛度均勻對稱,短肢剪力墻雙向布置,盡量拉通、對直,豎向布置中,力求規劃均勻,避免有過大的外挑、內收,以及樓層剛度沿豎向突變,使整個房屋的抗側剛度中心靠近水平荷載合力的作用線,以免房屋發生扭轉。

根據建筑的平面布置,在房間、樓梯間、電梯間的四角,采用Z形、L形、T形或異形的墻肢。在設計過程中還應注意同周期的關系,使結構的第一自振周期避開場地土的卓越周期,以免地基與結構形成共振或類共振,既保證結構在風和地震荷載作用下的變形控制在規范允許的范圍內,又要保證建筑物有相對合理的自振周期,做到結構設計經濟、合理且實用。

本方案根據上述分析并經過多次調試,得到了4種結構方案,結構平面布置見圖2。剪力墻截面厚度同相鄰砌體填充墻厚度均為100mm。剪力墻、梁混凝土強度等級為C30。板的混凝土強度等級均為C25。主要連梁的尺寸大都為200mm×400mm。標準層樓板厚度為120mm,頂層樓板厚度為150mm,有別于肢長肢厚比不大于4.0的異形柱,短肢剪力墻的肢長肢厚比按規范要求控制在5~8范圍內,一般剪力墻的肢長肢厚比均大于8。值得注意的是,對肢長肢厚比為4~5范圍內的墻肢,目前規范尚無明確條文規定其構件類型,故設計時建議不要采用。

由于原方案的剪力墻過多,使底部剪力過大,使結構很不經濟,同時布置了少量鋼筋混凝土柱子,使結構不是很合理。故方案1在一般剪力墻結構的基礎上去掉了構造柱并減少了少量的剪力墻(見圖2a)。

在方案1基礎上適當的減少一些剪力墻,從而使方案更經濟,在調試過程中由于F軸剪力墻較少,從而使電梯間X方向的剪力墻承受過大的剪力造成超筋,故把電梯間X方向的剪力墻開洞口,使結構X向的剛度減少。(見圖2b)

方案3是在方案2的基礎上改善了Y方向的剛度,使兩個方向的剛度相接近,使結構更合理且均勻對稱(見圖2c)。

在方案3的基礎上把Y向的一些T型剪力墻變成一字型,雖然在多層、高層住宅設計中剪力墻結構應盡量避免一字型,但由于該結構的實際情況,所以采用了部分一字型(見圖2d)。

3上部結構設計計算結果分析

3.1計算結果分析

從構件力學特性上來說,短肢剪力墻的肢長與肢厚比≥5.0,更接近于剪力墻,故計算時將短肢剪力墻作為剪力墻而不是柱考慮應更合理。因此,結構整體計算采用中國建筑科學研究院開發的SATWE程序(2003年版)進行。SATWE采用的是在每個節點有六個自由度的殼元基礎上凝聚而成的墻元模擬剪力墻墻元不僅具有平面內剛度也具有平面外剛度,可以較好地模擬工程中剪力墻的真實受力狀態,計算結果較精確;同時,對樓板SATWE可以考慮其彈性變形。雖然主樓結構平面較規則,立面也無剛度突變現象,但由于剛度較大的電梯井處筒體有點偏置,會產生扭轉的影響,為了計算準確,地震作用計算考慮了結構的扭轉耦聯和5%偶然偏心的影響,取了27個振型計算。

1)自振周期的控制

考慮扭轉耦聯時的自振周期(計算時自振周期折減系數取0.8)如表1(只列了前6個)所示。從表1可得,方案4結構扭轉為主的第一自振周期T3=0.9959s,平動為主的第一自振周期T1=1.1656s,T3/T1=0.854<0.9,滿足(JGJ3-2002)

第4.3.5條的規定。

2)結構位移的控制

最大層間位移角(應≤1/1000)、最大水平位移與層平均位移的比值(不宜大于1.2,不應大于1.5)及最大層間位移與平均層間位移的比值(不宜大于1.2,不應大于1.5)見表2。從中可以看出,結構在風荷載和地震作用下的位移均能很好地滿足規范限值。

3)剪重比控制

剪重比是反映結構承受地震作用大小的指標之一,地震力計算不能偏大,但也不能太小。因為短肢剪力墻本身抵抗地震的能力較差,如果短肢剪力墻分配的地震力太大,則很有可能不滿足要求。本工程X方向的最小剪重比為4.50%,Y方向的最小剪重比為4.62%,根據“抗震規范”(5.2.5)條要求的X、Y向樓層最小剪重比均為3.20%,所以各層均滿足要求。

4)軸壓比是體現墻肢抵抗重力荷載代表值作用下的能力,“規范”對短肢剪力墻(尤其一字墻肢)要求更高一些。上述工程出現的短肢剪力墻軸壓比在0.20~0.45之間,軸壓比小于規范規定值。

3.2短肢剪力墻結構經濟性分析

為了與工程實際情況相符,假設混凝土的成本與混凝土的體積成正比,鋼筋的成本與鋼筋的體積成正比。在總造價上,暫不考慮模板及樓板等工程的造價影響。材料的單方造價混凝土為430元/m3,鋼筋4200元/t。表4為方案的經濟指標匯總,由表4知,方案4比一般剪力墻結構在總造價上要節約17.8%,使材料得到了充分的發揮。

4結語

本文針對小高層住宅的結構特點,采用短肢剪力墻結構,在比普通剪力墻結構方案節省投資17.8%的情況下,使結構受力更合理,整體變形能力和結構吸能能力對抗震更為有利。本工程剪力墻結構的薄弱環節是建筑平面外邊緣及角點處的墻肢,因而設計時在以上部位布置L型或一字型短肢墻,受條件所限也出現了少量一字型短肢墻,設計時嚴格控制其軸壓比<0.6,且相差不應太懸殊,避免墻肢應力差異過大。高層建筑中的連梁是一個耗能構件,對抗震不利。多、高層結構設計中允許連梁的剛度有所下降。但應注意短肢剪力墻結構中,墻肢剛度相對較小,連接各墻肢的梁已類似普通框架梁,而不同于一般剪力墻間的連梁,不應在計算的總體中將連梁的剛度大幅下調,使其設計內力降低,應按普通框架梁的要求進行設計。

參考文獻:

[1]高層建筑混凝土結構技術規程(JGJ3-2002)〔S〕1北京:中國建筑工業出版社,20021.

[2]建筑抗震設計規范(GB50011-2001)〔S〕1北京:中國建筑工業出版社,2001,1.

[3]李國勝.高層鋼筋混凝土結構設計手冊(第二版)〔M〕北京:中國建筑工業出版社,2003,1.

摘要:本文結合工程實例,詳細闡述了小高層住宅短肢剪力墻結構的特點及設計方案布置,并對上部結構設計計算結果與經濟性對比分析進行了深入探討,以說明小高層建筑短肢剪力墻的特點優勢。

關鍵詞:小高層建筑;短肢剪力墻;結構設計;剪重比