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【摘 要】现阶段,剪力墙结构已经成为高层住宅建筑最主要的结构形式.本文以结构布置、结构计算两个方面提出板式高层住宅剪力墙结构设计需注意的几个问题.
【关 键 词】剪力墙；联肢墙；短肢剪力墙；平面外支撑；强连梁
现阶段,采用剪力墙结构的板式高层住宅已经成为开发商及业主选择的宠儿,它在设计时,房间布置灵活,在使用时,朝向、通透性、日照等方面都容易满足需求.板式高层住宅有其自身特点：建筑平面长宽比大,一般为2～4,而且宽度比较小,一般等效宽度为14米～17米,高宽比较大.平面长宽比大对结构带来的问题是,结构扭转效应明显,往往周期比、位移比不容易控制.建筑宽度小,高宽比大给结构带来的问题就比较多了,首先建筑宽度小了,沿楼宽方向的抗侧刚度不容易满足,其次高宽比大,会影响结构的整体稳定,抗倾覆能力.针对以上特点,结构设计时需要注意几个问题.
1结构布置
剪力墙结构的剪力墙的平面布置应尽可能均匀、对称、周边化,尽量使结构的刚度中心和质量中心重合,以减少扭转,加大结构的抗扭刚度.竖向布置,剪力墙宜自下倒上连续,避免刚度突变.对于板式高层住宅,剪力墙布置除了要遵循以上所述原则外,还应该注意以下几个问题.
（1）剪力墙布置时,如何保证建筑宽度方向抗侧刚度需求.由于板式住宅建筑宽度小,沿楼宽方向的抗侧刚度不容易满足,在设计时,我们往往为控制宽度方向位移要耗费大量时间,在高烈度地区尤为明显,往往要反复调整结构布置,反复计算,有时可能还是达不到预期目标.其实在反复计算中,我们还是可以找到一些规律,沿建筑宽度方向能对齐的剪力墙越多,宽度方向的位移越能满足要求,换句话说就是,沿建筑宽度方向的联肢墙越多,宽度方向抗侧刚度就越大.在布置剪力墙时,可以通过提高联肢墙的刚度,来有效的提高宽度方向整体抗侧刚度.对于那些与其它墙肢对不齐的独立墙肢,在控制轴压比及短肢要求的前提下,可以减小其墙肢长度,这样可以减小结构自重,更有效地控制宽度方向位移.
在提高宽度方向联肢墙刚度时,还可以发现,提高宽度较宽部位的联肢墙刚度,给宽度方向整体抗侧刚度带来的贡献要大于宽度较窄的部位.这个问题其实很好理解,我们可以将联肢墙看成独立的一片剪力墙,当然是墙约长,抗侧刚度就越大.从以上所述,我们可以总结,在布置宽度方向剪力墙时,可优先考虑加长宽度较宽部位的联肢墙各墙肢的长度,如果刚度还不满足要求,可以考虑加长宽度较窄部位的联肢墙各墙肢的长度,对于整体抗侧刚度贡献不显著的独立墙肢,可适当减小长度来减小自重.当然这一结论还是要遵循前文提高的“均匀、对称”等原则.
（2）应控制短肢剪力墙数量.在高层住宅设计时,短肢剪力墙往往不可避免,但是对于高烈度地区及层数较多的结构,短肢剪力墙数量应按照《高规》（JGJ3-2010）的要求进行控制.因为短肢剪力墙的承载能力、抗侧力刚度都很小,构件延性差,若在结构中所占比例较多,一旦结构的一般剪力墙出现问题,很可能短肢剪力墙就会随之破坏,并有可能发生楼板的连续倒塌.
（3）提高宽度方向山墙部位剪力墙刚度,加强结构抗扭刚度.前文提到建筑平面长宽比大,结构扭转效应明显.在计算板式高层住宅,我们往往会遇到以扭转为主的周期为第一周期的现象,这是因为结构布置不合理,导致结构抗扭刚度底.在设计时,这种情况是要避免的,通过计算,我们不难发现,对于板式住宅,加强建筑宽度方向山墙部位剪力墙刚度,对于提高结构抗扭刚度有着显著贡献.
（4）控制强连梁数量.在前文中提到,板式住宅建筑宽度小,沿楼宽方向的抗侧刚度不容易满足,对于这一情况,有的设计人员会采用将建筑宽度方向所有连梁高度加大,设计成强连梁,来提高宽度方向抗侧刚度.甚至为了优化结构方案,减少墙肢,就加大所有连梁高度,也就是以强连梁来提高结构整体刚度,并精简剪力墙数量来优化结构方案.这种做法是不安全的,尤其是对于剪力墙洞口较多的结构.强连梁确实可以很明显的提高结构抗侧刚度,但正因为如此,当遇到大震,连梁梁端开裂,出铰乃至退出工作,这样会过多消弱结构刚度,导致破坏倒塌.所以在设计时应合理控制强连梁的数量,做到既有弱连梁又有强连梁,结构的抗侧力刚度适当,承载能力适当,耗能能力也适当,实现“强弱适当,多到防线”,从而使得结构具有较高的延性性能.
（5）控制剪力墙平面外弯矩影响.由于住宅房间布置的不规则性,往往会出现剪力墙墙肢与平面外方向的楼面梁连接,这种情况会或多或少对剪力墙产生平面外弯矩.在设计时,对于楼面梁跨度、截面高度、荷载较小时,可以在剪力墙中设置暗柱来增强剪力墙平面外抗弯承载力,此时梁与墙的连接在条件允许的情况下可设计成刚接,若钢筋锚固水平长度无法满足,且建筑使用功能限制时,可设计成铰接或半刚接.对于楼面梁跨度、截面高度、荷载较大时,应尽可能在连接处设置短墙肢或扶壁柱来提高剪力墙平面外抗弯承载力,此时梁与墙的连接应尽可能设计成刚接.
2结构计算
（1）最大地震力方向,在这里要强调最大地震力方向对结构抗震计算的影响.我们在计算时,要对许多指标进行控制,例如位移、剪重比,但是在程序输出时位移、剪重比是按两个主轴方向输出,当最大地震力方向与两个主轴方向有一定夹角时,此时所得的两个主轴方向位移、剪重比是偏小的,如果以位移控制,那么计算是偏于不安全.对于板式高层住宅,我们应该通过调整结构布置,尽可能减小大地震力方向与两个主轴方向的夹角（小于15.）,如果实在控制不了夹角,那么应该指定这个夹角,将主轴旋转夹角使得与最大地震力方向一致,从而计算控制各项指标.
（2）整体稳定,抗倾覆能力计算控制.对于高宽比较大的板式住宅,在计算时应重点进行整体稳定及抗倾覆能力计算控制,必要时还应进行大震下抗倾覆计.抗倾覆计算的重点在于,结构基础要有足够的平面宽度来抵抗来抵抗在地震作用下的倾覆力矩,同时基础外边缘要有足够的刚度及抗弯、抗剪承载能力,来抵抗由倾覆力矩产生的基础外边缘过大地基反力.这里需要解释一下,建筑宽度小,那么沿宽度方向的抗倾覆力矩就小,在大震作用下,沿宽度方向基底容易出现零应力区,这就会导致沿基础宽度方向的外边缘会产过大的地基反力.
板式高层住宅有其自身特点,当采用剪力墙结构时,剪力墙布置应当控制好短肢剪力墙数量,合理地利用山墙刚度来提高结构抗扭刚度,合理地控制强连梁的数量,做到强弱适当,控制好剪力墙平面外支撑措施,合理地布置宽度方向剪力墙,使其能够最大程度发挥其刚度贡献.计算时不能忽视最大地震力方向的影响,并且要对结构整体稳定,抗倾覆能力进行计算控制.