小高层住宅短肢剪力墙结构设计

何耀宇

摘要：随着小高层住宅建设的发展，短肢剪力墙结构被广泛应用。文章介绍了短肢剪力墙结构的特点及结构布置，论述了短肢剪力墙结构的计算分析和设计中应注意的问题及短肢剪力墙结构的构造要求进行阐述。

关键词：小高层住宅；短肢剪力墙；结构布置；计算分析

1 短肢剪力墙结构体系特点

随着社会的发展，经济水平的提高，住房条件的改善，逐渐兴起许多小高层住宅的建设，其中有大量11层、12层的小高层住宅，短肢剪力墙正广泛应用于小高层住宅建筑中。 钢筋混凝土短肢剪力墙是剪力墙体系中的一种，是指肢长和厚度比在5～8之间的剪力墙，通常采用T形、L形、Z形等形式，偶尔也采用十形和一形。短肢剪力墙结构既保留了异形柱不凸出墙面的优点，又克服了异形柱框架抗震性能不理想等缺点。

短肢剪力墙可结合建筑平面，利用间隔墙位置来布置竖向构件，基本不与建筑使用功能发生矛盾；墙的数量可多可少，肢可长可短，主要视抗侧力的需要而定，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；能灵活布置，可选择的方案较多，较易处理楼盖的支承；连结各墙的梁，亦随墙肢位置而位于间隔墙竖平面内，属于隐蔽型；视建筑平面及抗侧力的需要，把中心竖向交通区处理成筒体或短肢剪力墙；短肢剪力墙的短墙肢虽然同异形柱框经结构体系的异形柱一样截面抗扭不利，但由于其墙肢较长，受力接近剪力墙的墙肢，结构体系趋于合理。

此种体系同样适用于单元式高层住宅。由于上述特点，在结构布置方面灵活性及可调整性大，因此容易得出合理的结构方案。因此，由于它的灵活性较大，随之结构布置也可能有较大的差别，从而导致有不同的结构设计效果。

2 短肢剪力墙的结构布置

短肢剪力墙结构的一般布置原则：短肢墙的数量应当适中，满足竖向荷载和抗侧力需要即可；短肢墙应尽量均匀分布，其轴向应力不应相差悬殊；当有抗震要求或风力较大或平面凹凸较多时，在平面外边缘及角点处，特别是外凸部分，布置必要的短肢墙以加强其整体性和满足平面刚性的要求；各短肢墙应尽量对齐、拉直，使之与连梁一起构成较规整且连续跨数较多的抗侧力片，当不能完全做到时也允许局部互相错开；每道短肢墙宜与两个方向的梁连结，连梁尽可能布置在墙肢的竖平面内，连梁宽度一般宜与墙肢厚度相等；墙肢不宜过厚，尽量不凸出或少凸出间隔墙表面，但亦不应太薄以导致稳定性差和施工困难，以采用200，250或300为宜；可以混合布置部分较长的墙或矩形柱；在抗震设计中，筒体和一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构底部地震倾覆力矩的50%。

这类结构体系通常利用中部由楼梯、电梯及竖向管道等形成的竖向交通区设置较多的剪力墙，组成一个较完整或基本完整的筒体（整幢建筑承受竖向荷载和抗侧力的主要部分。）外围部分的竖向构件根据受力的需要和建筑平面布置，设置适量的钢筋混凝土短肢剪力墙，在各短肢剪力墙的墙肢间布置连系梁，把这些短肢墙以及核心筒连成一个整体，构成整幢建筑的结构体系。

3 短肢剪力墙的计算分析

对于短肢剪力墙结构体系的理论以及实验研究主要都是以分析结构的整体性能为主，从力学性能而言，短肢剪力墻更接近于剪力墙，应按剪力墙进行计算而不宜按照扁柱计算。短肢剪力墙结构宜采用三维空间分析模型进行分析，通过静力弹塑性分析进行结构计算。

对于短肢剪力墙结构的分析计算通常有TBSA、TAT、SATWE等软件，前两者均采用的是开口薄壁杆件计算模型，其中梁柱为普通空间杆件，每端有6个自由度，墙体视为薄壁杆件，每端有7个自由度。考虑了墙单元的非平面变形的影响，按矩阵位移法由单元刚度矩阵形成总的刚度矩阵，引入楼板平面内刚度无限大的假定减少部分未知量来求解的，它的计算模型是空间杆-薄壁杆系模型。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（如有转换层）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SATWE采用的是板壳计算模型，SATWE借鉴了SAP84的墙元概念，在节点等参壳元的基础上，采用静力凝聚原理构造了一种通用墙元来模拟剪力墙，其特点是用每一个节点6个自由度的壳元来模拟剪力墙单元，剪力墙既有平面内的刚度，又有平面外的刚度。所以楼板既可以按弹性楼板考虑又可以按刚性楼板考虑，对于短肢剪力墙来说是接近于实际情况的。

同济大学的模拟地震振动台实验表明，利用SATWE软件中的壳元来模拟，同时采用弹性楼板假定考虑大开间中楼板对抗侧刚度的贡献，可以合理地计算高层大开间剪力墙结构体系，计算结果和实验结果更接近。

4 短肢剪力墙结构设计应注意的问题

①要严格控制短肢墙的轴压比，尤其是无翼缘或端柱的一字形短肢剪力墙，现行规范也强调了这一点。根据国内外研究结果，在承受压弯作用的剪力墙中，当处于小偏压状态时，墙的延性较差。不仅如此，即使在大偏压状态下，若轴压比较大，混凝土受压区的边缘应力很高，如果混凝土没有约束或约束不够，可能混凝土先达到极限压应变，出现竖向裂缝，甚至压碎，使构件丧失变形能力和承载能力。因此规范引入剪力墙的变形能力要求，并从变形能力出发规定了轴压比限值，同时提出了按混凝土压应变大小设置的约束边缘构件的设计方法，这是十分必要的，只有这样才能保证短肢墙的延性。

②应采取三维计算方法进行结构的动力特性分析和杆件内力计算。这时对于竖向构件又有薄壁杆模型与墙元模型，前者是一种简化模型，但精确度较低；后者是板元与膜元的组合，是一种高精度力学模型。

③短肢墙结构不宜做得太高。短肢剪力墙住宅结构体系大多数是每层6～8户，各住宅单元置疑中部筒体呈环抱状布置，整个结构基本对称，多为20～30层；当受用地限制时，每层3～4户，通常布置在筒体的三边，层数多为12～20层。

5 构造要求

短肢剪力墙结构的构造要求同一般剪力墙结构。目前我国各设计院在短肢剪力墙的结构设计中，剪力墙端部暗柱的设置有两种形式：一种是端部做暗柱，设置剪力墙水平和竖向分布筋，适于肢长较长的短肢剪力墙；另一种有点类似异形柱的配筋方法，以腹部均匀配筋，腹部钢筋面积根据电算时人为设置竖向分布筋的配筋率来计算，电算出的暗柱钢筋面积放在端部，适于肢长较短的短肢剪力墙，且配筋形式较简化，利于工程施工。

6 结语

随着小高层建筑的逐渐发展和人们对住宅使用功能要求的逐步提高，由于短肢剪力墙结构可以灵活布置，墙肢可长可短，可落地也可带转换层，房间内不会出现露梁露柱的现象，且短肢剪力墙的抗震性能也优于异形柱剪力墙结构，因此在设计中根据其受力的特点，充分掌握和了解其受力特点和破坏机理后，并选择合理的布置形式，正确掌握计算分析方法，它将在多、高层的住宅中有着广阔的发展前景。