基于高层建筑钢混剪力墙边缘构件的设置与配筋问题

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【摘 要】为满足高层建筑结构的抗震设计要求,本文介绍了钢混剪力墙设计中边缘构件的配筋范围、配箍量以及配筋形式等常见问题与误区,对现行的有关规范提出了一些建议,以供参考.

【关健词】钢混剪力墙；边缘构件；设置条件；配筋

【中图分类号】TU369【文献标识码】【文章编号】1674-3954（2011）03-0233-02

近年来,随着房屋建筑的高度的不断增加,而作为抗震主要的结构构件的剪力墙,所要承受的抗震水平也随之增高.随着实验研究的深入,使剪力墙的抗震设计有了很大发展,形成了一套较完整的强度,延性保证构造措施.许多研究单位的研究实验表明,剪力墙的边缘构件有横向钢筋约束可有效改善混凝土的受压性能,增大剪力墙的延性.此外还能防止剪力墙发生水平剪切滑动提高抗剪能力.边缘构件根据结构形式和受力状况分为约束边缘构件和构造边缘构件两类,其作为剪力墙的加强边约束能力,主要与边缘构件的配筋范围、配箍量以及配筋形式有关.由于各规范之间表述的不同以及结构师对规范理解的差异,特别是为满足建筑形式的特殊要求,剪力墙在具体工程中的设计因项目而异.

一、底部加强区约束边缘构件的设置条件

文献[1-2]规定,一、二级抗震墙底部加强部位及相邻的上一层的墙肢端部应设置约束边缘构件,一、二级抗震设计剪力墙的其他部位以及三、四级抗震设计和非抗震设计的剪力墙墙肢端部均应设置构造边缘构件.文献[1]同时规定,当墙肢底截面在重力荷载代表值作用下的轴压比小于表1的规定值时,可设置构造边缘构件.

表1抗震墙设置构造边缘构件的最大轴压比

由有关研究可知,抗震墙的延性除了与边缘构件范围,配箍率大小等因素有关外,还与截面的的相对受压区高度或轴压比有关,当截面的相对受压区高度或轴压比较小时,即使不设置约束边缘构件,抗震墙也具有较好的延性和耗能能力.当相对受压区高度或轴压比超过一定值时,就需要增大边缘构件的范围和配箍量.文献[1]不仅考虑了位置因素,还考虑了轴压比的影响,而文献[2]适用于高层建筑结构.剪力墙属竖向悬臂构件,当为高层结构时,即使在轴压比较小的情况下,由于竖向高度较高,横向地震力对剪力墙产生的弯矩在剪力墙底部也会很高,所以,对底部加强部位的约束边缘要求不予放宽是有道理的.值得注意的是目前设计较多的小高层住宅多采用短肢剪力墙,由于短肢剪力墙在结构中所占比例较高,结构与侧向刚度较大的普通概念的剪力墙结构有了显著弱向量变,规范关于剪力墙诸要素的参量系针对普通概念的剪力墙制定,对整体为短肢剪力墙结构的适用程度便较难把握,全部套用并不合适,因此,有待进一步的研究.

二、约束边缘构件的配筋

1.约束边缘构件阴影部分配筋

约束边缘构件范围的阴影部分为体积配箍率􀀁,v区域,阴影之外部分为体积配箍率λ/2区域,见图1所示.文献[1-2]中阴影部分箍筋体积配箍率可通过相关公式􀀂,v等于λfc/fyv等于0.2fc/fyv求得.但对所配箍筋的形式未作具体要求.首先,阴影部分应采用封闭箍筋,因为封闭箍筋越多对混凝土的约束能力越强,承压,抗剪能力提高越多.其次,阴影部分中部的复合箍,可采用方框箍相套方式,也可采用拉筋方式.拉筋要求既拉住纵筋也拉住横向筋,试验证明拉筋功能优于单肢箍和复合套箍,截面中部的复合箍采用拉筋能更好地模拟三向受压状态.(日本规范规定当柱截面内部的复合箍均采用拉筋时柱的轴压比限值可以适当提高就是这个道理).此外,为了充分发挥约束边缘构件的作用,参考国外规范,箍筋的长边不大于短边的3倍,且相邻两个箍筋应相互搭接1/3长边的距离.

2.约束边缘构件非阴影部分配筋

约束边缘构件非阴影部分即体积配箍率为λ/2的区域,此区域是边缘构件和剪力墙之间共有的过渡部分,其配筋对剪力墙延性的影响小于阴影部分.该部位的纵筋为剪力墙竖向分布筋,但间距应与拉筋配合且不小于剪力墙竖向分布筋间距(为与配箍率要求的拉筋间距配合,有时需要将剪力墙竖向分布筋间距调小),该部位的水平筋就是剪力墙身的水平分布筋,设计中部分结构师将按阴影部分计算的箍筋扩展到非阴影部分,结果墙身水平分布筋通过该部位伸至剪力墙端部后再弯钩锚固,将与设置在非阴影部分的箍筋发生长距离重叠,导致该部位的实际配箍率过大(图1),造成不必要的浪费.

另外,文献[1-2]规定,一、二级剪力墙阴影部分的箍筋或拉筋竖向间距分别不宜大于100mm,150mm.因此部分结构师就简单的把非阴影部分拉筋间距误取为阴影部分间距的2倍(非阴影部分配箍特征值为阴影部分1/2),即200mm和300mm.但文献[1-2]中规定,一、二级剪力墙底部加强部位构造边缘构件箍筋或拉筋沿竖向最大间距为100mm和150mm.其他部位为150mm,200mm.笔者认为,作为轴压比更大的约束边缘构件,其箍筋或拉筋的设置标准不宜低于相同抗震等级构造边缘构件的要求.

a―约束边缘暗柱YAZb―约束边缘端柱YDZ

c―约束边缘翼墙YYZd―约束边缘转角墙YJZ

1―非阴影部分的纵筋为剪力墙身的竖向分布筋.但间距应与拉筋配合且不大于竖向分布筋间距,水平筋为剪力墙身的水平筋

图1约束边缘构件截面配筋构造

此外,当剪力墙水平分布筋间距不符合约束边缘构件非阴影部分箍筋或拉筋最大间距时,例如水平筋间距为200mm,而箍筋或拉筋间距为150mm,若非阴影部分只配置拉筋,则有部分拉筋将无法拉住水平筋,此时,可以考虑在此部位设置附加水平筋的措施,其中附加水平筋直径不宜过大,与水平筋配合满足体积配箍率λv/2即可,深入的长度也不宜过长,进入阴影区钩住第二根纵筋即可(图2).

图2水平附加筋

约束边缘构件纵筋是由剪力墙截面抗弯计算而来,两端部纵筋合力中心距离大小直接影响剪力墙抗弯承载力大小,文献[1]规定:约束边缘构件沿墙肢的长度和配箍特征值应符合表6.4.5-2的要求,一、二级抗震墙约束边缘构件在设置箍筋范围内(即图6.4.5-2中阴影部分)的纵向钢筋配筋率,分别不应小于1.2%,1.0%.此条说明约束边缘构件的纵向钢筋配筋率按阴影部分计算,且要求应配在阴影部位,文献[2]对阴影部分纵筋配筋量要求与文献[1]相同,但又规定约束边缘构件纵向钢筋的配筋范围不应小于阴影面积,规定的模糊性导致结构师将其理解为配筋范围的下限值,从而将端部纵筋均布在整个约束边缘构件ιc范围内,结果使钢筋合力中心距离减少(截面高度大时尤为明显),使截面抗弯承载力降低,不仅影响结构安全而且不经济.因此,纵向钢筋的配置范围应为约束边缘构件的阴影部分,不应随意扩大范围.

3.剪力墙水平分布筋的锚固

目前,部分结构师和现场施工人员认为,剪力墙水平分布筋锚入边缘构件(一般为暗柱)满足搭接长度即可或可仿照梁与柱连接的做法(图3).但事实上,边缘构件与剪力墙墙身之间的连接有别于不同构件(例如梁与柱)之间的连接,边缘构件并不是剪力墙墙身的支座,其本身是剪力墙的一部分,剪力墙水平分布筋是用以抵抗水平地震作用产生的剪力,是按整片墙肢进行配置的,并未扣除边缘构件的长度,且规范中的计算公式并未考虑剪力墙边缘构件抵抗水平地震剪力其中所配箍筋的作用是约束混凝土,改善混凝土的受压性能,提高剪力墙的延性能力,两者属于一个整体只是作用不同.应按标准图(03G101-1)做法,将水平分布筋伸至墙肢端部垂直弯折15d(图4).

图3梁与柱连接

图4暗柱