短肢剪力墙住宅楼结构设计.pdf

第三届全国现代结构工程学术研讨会 短肢剪力墙住宅楼结构设计 赵庆 天津大学土木系 天津3 0 0 0 7 2 摘要 本文较为详细地介绍了保津高速公路管理处一栋短肢剪力墙结构设计的全过程 介绍了计算方法 剪力墙布置 方法及上部结构构造处理措施等 关麓词 短肢剪力墙 周期 位移 构造措施 v 一 短肢剪力墙结构体系概述 现在较多的高层住宅楼 一般将电梯间及管道竖井布置在平面的中间形成筒体 各套住宅绕其周围分 布 这种布局由于用地 采光 通风的要求 平面及房间灵活多变 致使结构布置不规则 由于外观 功能和使 用净面积等方面的需要 要求不露粱 不露柱 住宅层高较低不许吊顶 不许有明梁出现 大多住宅楼将底层 作公共性用途 如餐厅 商店或其他服务性设施 又出现要处理结构转换层问题 很显然 框架和剪力墙结构 都不能满足上述要求 为解决好这些矛盾 广洲 深圳等南方城市最早出现了异型柱结构 根据现有的广东和 天津异型柱设计规程规定 异型柱的肢长较短 肢长 4 倍墙厚 广东异型柱设计规程规定 建筑物高度不得 超过3 5 米 天津异型柱设计规程规定 建筑物平均自重不大于9 K N M 2 异型柱的适用范围限制了这种结构 的应用 而且当建筑高度较高时 异型柱无法满足轴力和抗侧力的要求 近几年在剪力墙和异形柱结构的基 础上 结合建筑的特点 形成了一种较为特殊的形式 短肢剪力墙结构 它并不是一种新的结构体系 实质 上是剪力墙结构的一种分支 二 短肢剪力墙结构的构造与布置 短肢剪力墙属于剪力墙结构体系 只不过采用较短的肢 一般理解为肢长2 m 以下 常用短肢墙的形式 有 T 型 L 型 z 型 型 型 一型 其中 一型 刚度和稳定性不好 梁的钢筋锚固长度另行处理 除非建 筑条件限制一般不宜采用 肢长一般不小于4 倍墙厚 避免小墙肢的出现 短肢剪力墙主要布置在分割墙的交点处 并在各肢处布置联系梁 把这些墙连接成一个整体 以构成结 构体系 未布置剪力墙的间隔墙用轻质砌体填实 填充墙与剪力墙之间用拉结筋拉接 短肢剪力墙的布置原则 一 短肢剪力墙的总体数量和肢长要适当 要满足承载力和抗侧力的要求 使结构的周期 层间位移 地 震底部剪力等在规定范围内 二 各短肢剪力墙分布尽量均匀 使其刚度和建筑物形心尽量接近 且轴向应力相差不悬殊 三 尽量避免墙肢凸出于隔墙表面 墙肢不宜过厚 一般应为2 0 0 m m 2 5 0 r a m 3 0 0 m m 四 剪力墙尽量拉直 对齐 使之与连梁一起构成较规整且连续跨数较多的抗侧力结构 三 保津高速公路管理处住宅楼工程实例 一 保津高速公路管理处住宅楼概况 保津高速公路管理处住宅楼十二层 主体功能为住宅 地下室为库房 一层为商店 住宅楼位于保定市 七一中路与环西北延路交叉路口西南角 西邻华电高职楼 东邻管理处新建办公楼 1 2 层 北J 缶七一中路 占地面积1 0 6 2 5M 2 总建筑面积1 3 8 1 56M 2 含阳台 其中地下层建筑面积8 8 1 5 孵 地上建筑面1 2 9 3 4 1 M 2 含阳台 檐口高度3 99M 标准层剖面及平面图见图l 图2 工业建筑2 1 0 3 年增刊 第三届全国现代结构工程学术研讨会 一 一 工二 冀 j P 二l j w 上 I L Ji p f t r l o 一上L 一 j J 4 J I r1 下 P l r H L L I 一 图1 标准层结构平面图 二 结构设计 1 本建筑物长6 6 9M 宽1 4 7M 建筑物室外地坪至主体结 构檐 Z l 高度为3 9 9 0 3 4 0 2 M 地下室的层高为3 M 一层层高 4 2 M 其它层层高均为3 1 M 建筑物的长宽比L B 6 6 9 1 4 7 4 5 5 5 高宽比H B 4 0 2 1 4 7 2 7 3 6 符合规范要求 本楼 结构型式为钢筋混凝土 短肢 剪力墙结构 丙类建筑 2 结构抗震设计主要参数为 地震力按x Y 两个方向计算 同 时考虑扭转藕联 竖向力按模拟施工加载方式计算 保定地区基 本风压为0 4 0K N M 2 设计中对高层采用风压值W0 1 1 x O 4 o 4 4K N M 2 地面粗糙度按B 类 风荷载按x Y 两个方向训算 恒 活荷载分开计算 周期折减系数为o 9 计算取1 5 个振型 抗震设 防烈度7 度 近震 场地土类别为U 类 剪力墙抗震等级为二级 框 架抗震等级为三级 按混凝土结构计算地震力和风荷载 结构的阻 尼比为o 0 5 水平地震影响系数最大值为o 0 8 罕遇地震影响系数 最大值为o 5 结构体型系数1 4 连梁刚度折减系数o 7 混凝土重 度为2 6 K N V 1 3 地震力分项系数1 3 风荷载分项系数1 4 恒荷载 分项系数1 2 活荷载分项系数1 4 墙元细分中壳元最大控制边长 为2 0 M 图2 住宅楼剖面图 3 软件计算采用中国建筑科学研究院结构空间有限元分析 设计软件S A T W E2 0 0 1 年5 月W i n d o w s 版 按剪力墙输入 S A T W E 软件以壳元理论为基础 构造了一种通用 墙元来模拟剪力墙 墙元不仅具有墙所在平面内刚度 也具有平面外刚度 可以较好地模拟工程中剪力墙的 真实受力状态 4 基础筏板厚5 0 0 m m 地下室外墙厚2 5 0 m m 剪力墙厚2 5 0 m m 连梁截面h x b 4 0 0 x 2 5 0 m m 楼板厚度为 O 0 0 0 层及屋面板厚1 5 0 m m 其它层板厚1 0 0 r a m 混凝土强度等级 基础C 3 5 柱 剪力墙 主体结构梁 板 四层以下采用C 3 5 以上采用C 3 0 土层分布情况 地层编号岩土名称承载力标准值 K P a 压缩模量 M P a 1 杂填土 2 粉土1 3 077 3 粉质粘十1 2 041 工业建筑2 0 0 3 年增干9 6 1 J走T 上 0 一 鼎靛 垃二 精翌 第三届全国现代结构工程学术研讨会 续裹 l地层编号岩土名称承载力标准值 K P a 压缩模量 砰h 4 粉土 1 3 070 5 粉质粘土 1 2 03 T 8 6 粉土1 5 05 9 7 细砂 l 舳1 08 4 8 1中砂2 0 01 21 8 9 粗砂 2 3 01 34 5 1 0 粉土1 柏6 8 1 1 粉质牯土 1 6 0 38 1 2 粉土1 7 0 6 9 1 3 粉砂 2 6 01 88 l 1 4 粉质粘土 l 印5l 1 5 粉质粘土1 6 05 2 根据地质报告 天然地基无法满足承载力要求 经综合分析 地基持力层采用复合地基 采用水泥土桩进 行地基处理 要求处理后的地基承载力标准值达到f k 2 4 0 K P a 本建筑物基础底标高一4 4 0 0 位于第 4 层粉土层 要求处理至第 7 层细砂层或以下 同时 地基变形要求应满足 平均最终沉降量计算值应 4 0 m m 本建筑物对应于荷载标准值的基底总反力为2 4 4 1 K P a 本建筑物整体倾斜计算值纵向 o 0 0 3 横向 o 0 0 3 5 s A 隔咂软件计算后 建筑物抗震验算结果见下表 周期 S 顶点位移 总高最大层间位移 层高 最大最小 建筑物方向剪质比 一 T 11 2B 风载地震风载地震 轴压比轴压比 X 向23 9 11 lO 3 30 1 81 9 9 9 91 2 9 2 21 9 9 9 91 2 2 4 0 住宅楼O6 O1 Y 向20 11 1 802 8O2 51 4 8 6 9l 2 4 3 21 4 0 6 8l 2 0 3 9 从以上计算结果分析 采用的计算机程序与计算模型相协调 数据符合规范要求 三 主要结构措施 1 本建筑物为短肢剪力墙结构 水平力作用下 其整体受力及变形特点与框一剪相似 底部最小 中间 较大 顶部次之 各项技术指标参照框一剪结构的要求控制 2 短肢剪力墙的受力及变形特点界于长肢剪力墙和柱之间 短肢剪力墙纵筋满足小墙肢最小配筋率的 要求 1 5 箍筋满足二级框架柱 与二级剪力墙对应 配筋率的要求 并按照短柱要求全高加密箍筋 短 肢剪力墙全截面轴压比控制不大于o 6 不设端暗柱 受力钢筋按设计配筋率均匀设置 水平钢筋做成封闭 箍筋 3 连接短肢剪力墙的框架梁 按照计算结果 当水平力起控制作用时 其受力特点与剪力墙连梁接近 箍筋全长加密 纵筋通长配置 4 本建筑物长度为6 6 9M 超过规范G B J l o 一8 9 规定的钢筋混凝土结构伸缩缝的最大间距要求 在建 筑物中间部位自基础至顶板设置混凝土后浇带一道 地下室外墙提高 厂水平筋配筋率 一层及屋面板沿纵向配筋部分连通 纵向框架梁提高了通长钢筋配筋 率 并配置腰筋 工业建筑2 0 0 3 年增刊 第三届全国现代结构工程学术研讨会 5 为保证刚度转变层水平力的传递 地下室顶板及屋面板厚取为1 5 0 r a m 以增强平面刚度 6 本建筑物平面偏于狭长 考虑建筑物扭转及楼板变形的影响 建筑物纵向端部设置剪力墙 并提高了 水平和竖向配筋 构造加强 通过本工程的结构设计可知 上述设计计算方法和结构构造措施是必要的 也是有效的 其结果较好的 满足了抗震规范和高层设计规程要求 参考文献 1 赵西安 高层结构设计 中国建筑科学研究院结构研究所 1 9 9 5 年3 月 2 广东省建设管理委员会钢筋混凝土异型柱设计规程D B J T 1 5 1 5 9 5 1 9 9 5 年4 月 3 天津市城乡建设管理委员会 大开问住宅钢筋混凝土异型柱框轻结构技术规程 D B2 9 一1 6 9 8 1 9 9 8 年3 月 4 钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程 J G J3 9 1 5 中国建筑科学研究院P K P MC A D 工程部 高层建筑结构空间有限元分析与设计软件S A T W E 墙元模型 2 0 0 0 年 工业建筑2 0 0 3 年增刊 短肢剪力墙住宅楼结构设计短肢剪力墙住宅楼结构设计 作者 赵庆 作者单位 天津大学土木系 天津 相似文献 9条 相似文献 9条 1 期刊论文 肖良丽 短肢剪力墙应变分布演化过程试验研究 国外建材科技2006 27 5 短肢剪力墙是指肢长与厚度比值在5 8之间的抗震墙 这种结构体系广泛应用于10 25层的住宅工程中 工程设计中应用的商品化软件只能进行弹性分析 低周反复试验可以揭示短肢墙从弹性应力状态逐渐演化 直至破坏的全过程 通过对肢长与肢厚比值分别为5 6 5 8的有翼墙和无翼墙两组 共6个 短肢墙试体的低周反复下应变演化全过程试验结果分析 表 明 短肢剪力墙存在着明显的应力重分布 无翼墙和有翼墙短肢剪力墙墙肢底截面的应变基本符合平截面假定 无论有无翼墙 都是墙肢底部试验纵筋先于连梁箍筋屈服 连梁两端箍筋应变发展快 并最终导致结构破坏 这些分析结果可以为实际工程中短肢剪力墙设计和构造措施提供理论和技术依据 2 会议论文 马丽娜 杨海荣 袁恒惠 短肢剪力墙结构体系中的楼板设计 2002 本文论述了楼板在高层建筑中不仅承受楼面荷载 而且还起着协调竖向构件变形 增强建筑物的整体作用 而且楼板在短肢剪力墙结构中还具有更重要的地位和作用 3 会议论文 马丽娜 杨海荣 袁恒惠 短肢剪力墙结构构造浅谈 2002 本文对短肢剪力墙结构的特点进行了概述 该结构布置灵活 节能降耗 作者通过大量的工程实践进行总结和研究 提出关于短肢墙构造要求及配筋 4 期刊论文 张王送 短肢剪力墙结构的抗震设计 安徽建筑2005 12 6 本文介绍了短肢剪力墙结构体系的运用 简要介绍该结构的构成 特点及设计原则等有关问题 指出了短肢剪力墙结构在高层住宅建筑中的广泛应用 5 期刊论文 伍少威 短肢剪力墙结构在住宅建筑中的设计 四川建材2007 33 1 本文介绍了短肢剪力墙结构体系的运用 简要介绍该结构的构成 特点及设计原则等有关问题 指出了肢剪力墙结构在高层住宅建筑中的广泛应用 6 期刊论文 宋建学 刘立新 彭少民 低周反复试验中短肢墙应变分布演化过程研究 世界地震工程2002 18 1 短肢墙是指肢长与厚度比值在5 8之间的抗震墙 这种结构体系广泛应用于10 25层的住宅工程中 工程设计中应用的商品化软件只能进行弹性分析 低周反复试验可以揭示短肢墙从弹性应力状态逐渐演化 直至破坏的全过程 通过试验结果与有限元分析的对比 给出了肢长与厚度比值为5的条件下 有翼墙和无翼墙2种工况下试体应变演化全过程 结果表明 相 对于弹性分析结果 短肢墙存在着明显的应力重分布 无翼墙结构墙肢底截面的应变基本符合平截面假定 当肢厚比为5时 无论有无翼墙 都是墙肢底部纵筋先于连梁箍筋屈服 连梁两端箍筋应变发展快 并最终导致结构破坏 上述结果可以为制订短肢墙构造措施提供依据 7 期刊论文 李冕贵 短肢剪力墙结构设计实例 广东建材2008 5 近年兴起的短肢剪力墙结构作为一种新的住宅结构形式 是在原有剪力墙的基础上吸取框架结构的优点 有利于住宅建筑布置 又可进一步减轻结构自重 8 学位论文 王飞 短肢墙预应力楼盖结构顶层端节点抗震性能试验研究 2004 该文通过两个短肢剪力墙无粘结预应力楼盖结构体系子空间结构模型的低周反复加载试验 分析研究了这种结构体系的综合抗震性能 主要研究了这种结构体系4个顶层端节点的受力性能及构造措施 并对顶层端节点的设计方法及构造措施提出了设计建议 对x y函数记录仪绘制试件荷载 位移滞回曲线分析 研究这种结构体系在低周反复荷载作用 下的综合抗震性能 结果表明只要进行合理设计能够满足抗震性能的要求 并对这种结构体系在结构设计中应注意的问题提出了建议 对 L 形短肢剪力墙顶层端节点的试验结果进行整理分析 并进行了电算分析 首先 主要从平面受力角度对顶层端节点传力机理以及影响抗震性能的因素进行了分析研究 阐明了不论在正 负弯矩作用下 顶层端节 点主要是桁架机构的传