板式高層住宅剪力牆結構設計

板式高層住宅剪力牆結構設計

導言

現階段,採用剪力牆結構的板式高層住宅已經成為開發商及業主選擇的寵兒,它在設計時,房間佈置靈活,在使用時,朝向、通透性、日照等方面都容易滿足需求。板式高層住宅有其自身特點:建築平面長寬比大,一般為2~4,而且寬度比較小,一般等效寬度為14米~17米,高寬比較大。平面長寬比大對結構帶來的問題是,結構扭轉效應明顯,往往週期比、位移比不容易控制。建築寬度小,高寬比大給結構帶來的問題就比較多了,首先建築寬度小了,沿樓寬方向的抗側剛度不容易滿足,其次高寬比大,會影響結構的整體穩定,抗傾覆能力。針對以上特點,結構設計時需要注意幾個問題。

結構佈置

剪力牆結構的剪力牆的平面佈置應儘可能均勻、對稱、周邊化,儘量使結構的剛度中心和質量中心重合,以減少扭轉,加大結構的抗扭剛度。豎向佈置,剪力牆宜自下倒上連續,避免剛度突變。對於板式高層住宅,剪力牆佈置除了要遵循以上所述原則外,還應該注意以下幾個問題。

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剪力牆佈置時,如何保證建築寬度

方向抗側剛度

需求

由於板式住宅建築寬度小,沿樓寬方向的抗側剛度不容易滿足,在設計時,我們往往為控制寬度方向位移要耗費大量時間,在高烈度地區尤為明顯,往往要反覆調整結構佈置,反覆計算,有時可能還是達不到預期目標。其實在反覆計算中,我們還是可以找到一些規律,沿建築寬度方向能對齊的剪力牆越多,寬度方向的位移越能滿足要求,換句話說就是,沿建築寬度方向的聯肢牆越多,寬度方向抗側剛度就越大。在佈置剪力牆時,可以透過提高聯肢牆的剛度,來有效的提高寬度方向整體抗側剛度。對於那些與其它牆肢對不齊的獨立牆肢,在控制軸壓比及短肢要求的前提下,可以減小其牆肢長度,這樣可以減小結構自重,更有效地控制寬度方向位移。

在提高寬度方向聯肢牆剛度時,還可以發現,提高寬度較寬部位的聯肢牆剛度,給寬度方向整體抗側剛度帶來的貢獻要大於寬度較窄的部位。這個問題其實很好理解,我們可以將聯肢牆看成獨立的一片剪力牆,當然是牆約長,抗側剛度就越大。從以上所述,我們可以總結,在佈置寬度方向剪力牆時,可優先考慮加長寬度較寬部位的聯肢牆各牆肢的長度,如果剛度還不滿足要求,可以考慮加長寬度較窄部位的聯肢牆各牆肢的長度,對於整體抗側剛度貢獻不顯著的獨立牆肢,可適當減小長度來減小自重。當然這一結論還是要遵循前文提高的“均勻、對稱”等原則。

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應控制短肢剪力牆數量

在高層住宅設計時,短肢剪力牆往往不可避免,但是對於高烈度地區及層數較多的結構,短肢剪力牆數量應按照《高規》(JGJ3-2010)的要求進行控制。因為短肢剪力牆的承載能力、抗側力剛度都很小,構件延性差,若在結構中所佔比例較多,一旦結構的一般剪力牆出現問題,很可能短肢剪力牆就會隨之破壞,並有可能發生樓板的連續倒塌。

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提高寬度方向山牆部位剪力牆剛度,加強結構抗扭剛度

前文提到建築平面長寬比大,結構扭轉效應明顯。在計算板式高層住宅,我們往往會遇到以扭轉為主的週期為第一週期的現象,這是因為結構佈置不合理,導致結構抗扭剛度底。在設計時,這種情況是要避免的,透過計算,我們不難發現,對於板式住宅,加強建築寬度方向山牆部位剪力牆剛度,對於提高結構抗扭剛度有著顯著貢獻。

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控制強連梁數量

在前文中提到,板式住宅建築寬度小,沿樓寬方向的抗側剛度不容易滿足,對於這一情況,有的設計人員會採用將建築寬度方向所有連梁高度加大,設計成強連梁,來提高寬度方向抗側剛度。甚至為了最佳化結構方案,減少牆肢,就加大所有連梁高度,也就是以強連梁來提高結構整體剛度,並精簡剪力牆數量來最佳化結構方案。這種做法是不安全的,尤其是對於剪力牆洞口較多的結構。強連梁確實可以很明顯的提高結構抗側剛度,但正因為如此,當遇到大震,連梁梁端開裂,出鉸乃至退出工作,這樣會過多消弱結構剛度,導致破壞倒塌。所以在設計時應合理控制強連梁的數量,做到既有弱連梁又有強連梁,結構的抗側力剛度適當,承載能力適當,耗能能力也適當,實現“強弱適當,多到防線”,從而使得結構具有較高的延性效能。

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控制剪力牆平面外彎矩影響

由於住宅房間佈置的不規則性,往往會出現剪力牆牆肢與平面外方向的樓面梁連線,這種情況會或多或少對剪力牆產生平面外彎矩。在設計時,對於樓面梁跨度、截面高度、荷載較小時,可以在剪力牆中設定暗柱來增強剪力牆平面外抗彎承載力,此時梁與牆的連線在條件允許的情況下可設計成剛接,若鋼筋錨固水平長度無法滿足,且建築使用功能限制時,可設計成鉸接或半剛接。對於樓面梁跨度、截面高度、荷載較大時,應儘可能在連線處設定短牆肢或扶壁柱來提高剪力牆平面外抗彎承載力,此時梁與牆的連線應儘可能設計成剛接。

結構計算

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最大地震力方向

在這裡要強調最大地震力方向對結構抗震計算的影響。我們在計算時,要對許多指標進行控制,例如位移、剪重比,但是在程式輸出時位移、剪重比是按兩個主軸方向輸出,當最大地震力方向與兩個主軸方向有一定夾角時,此時所得的兩個主軸方向位移、剪重比是偏小的,如果以位移控制,那麼計算是偏於不安全。對於板式高層住宅,我們應該透過調整結構佈置,儘可能減小大地震力方向與兩個主軸方向的夾角(小於15°),如果實在控制不了夾角,那麼應該指定這個夾角,將主軸旋轉夾角使得與最大地震力方向一致,從而計算控制各項指標。

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整體穩定,抗傾覆能力計算控制

對於高寬比較大的板式住宅,在計算時應重點進行整體穩定及抗傾覆能力計算控制,必要時還應進行大震下抗傾覆計。抗傾覆計算的重點在於,結構基礎要有足夠的平面寬度來抵抗在地震作用下的傾覆力矩,同時基礎外邊緣要有足夠的剛度及抗彎、抗剪承載能力,來抵抗由傾覆力矩產生的基礎外邊緣過大地基反力。這裡需要解釋一下,建築寬度小,那麼沿寬度方向的抗傾覆力矩就小,在大震作用下,沿寬度方向基底容易出現零應力區,這就會導致沿基礎寬度方向的外邊緣會產過大的地基反力。

板式高層住宅有其自身特點,當採用剪力牆結構時,剪力牆佈置應當控制好短肢剪力牆數量,合理地利用山牆剛度來提高結構抗扭剛度,合理地控制強連梁的數量,做到強弱適當,控制好剪力牆平面外支撐措施,合理地佈置寬度方向剪力牆,使其能夠最大程度發揮其剛度貢獻。計算時不能忽視最大地震力方向的影響,並且要對結構整體穩定,抗傾覆能力進行計算控制。