浅谈高层住宅结构设计中短肢剪力墙结构的应用

摘　要：本文首先介绍了常见高层建筑结构体系，论述了短肢剪力墙的分类及其特点，结合某高层住宅项目，计算分析了短肢剪力墙的抗震性能，计算结果表明短肢剪力墙具有良好的抗震性能。

关键词：高层建筑；短肢剪力墙；抗震性能

1、概述
　　伴随着社会的进步、科技的发展和人民生活水平的日益提高，为满足人民对住宅的要求，我国的房地产业也在不断的发展，住宅类型与时俱进，住宅类型伴随着人民的不同要求，呈现出多样化的趋势。由于土地供给和城市土地资源的稀缺，和我国城镇化，更多的城市住宅向高层和中、小高层发展。对高层住宅结构的研究也进入了一个新的阶段。
2、常见高层住宅结构体系
　　目前，在我国的各大城市新建高层住宅中，常见的结构体系有框架结构、框支剪力墙结构、短肢剪力墙结构、异形柱框架结构、组合结构和钢结构等。
　　（1）框架结构是一种布局灵活多变的结构体系，方便房屋的布局和使用，但是框架结构的梁柱断面较大，影响结构的使用效果，而且框架结构的抗侧能力差，尤其在不规则柱网时更为明显。
　　（2）框支剪力墙结构经常在商住两用住宅中使用，这种结构形式的主要特点是为小区的景观和底层的通透性提供方便。
　　（3）短肢剪力墙结构是近年来兴起的一种结构体系，这种结构形式便于提高有效面积比和房屋的使用质量，空间布局灵活，而且减少了剪力墙，可减轻房屋的总重量，加快施工进度。
　　（4）异形柱框架结构体系主要是采用T型、L型等不规则截面，其柱肢和墙厚相等，房间内不显示柱角，可以充分利用各个拐角的空间，具有很好的经济效益。
　　（5）组合结构是由两种或两种以上的材料组成，主要有压型钢板与混凝土组合板、型钢混凝土结构、钢管混凝土结构、钢与混凝土板组合在一起的组合梁和外包钢混凝土结构等五大类。组合结构可以充分发挥材料的力学性能，取长补短，具有十分广阔的前景。组合结构的优越性主要体现在其抗震性能好，因为钢管混凝土结构在轴压作用下时，钢管和混凝土组合具有套箍效应，使混凝土的物理性质发生改变，由脆性材料变为塑性材料，与此同时，混凝土对钢管具有支撑作用，提高了钢管的局部稳定性。这种力学性质的变化，使得组合结构具有良好的抗震性能。
　　（6）钢结构与钢筋混凝土结构相比，具有梁柱的结构尺寸较小，室内空间布局灵活；自重轻，延性好；钢材的性质均匀一致，结构计算时准确可靠等优点。
3、短肢剪力墙结构体系
　　我国《高层建筑混凝土结构技术规程》中对短肢剪力墙的定义如下：短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5到8之间的剪力墙。即短肢剪力墙应满足5≤hc/hb≤8，hc为墙肢截面高度，hb为墙肢截面厚度。
　　在实际的设计和应用过程中，对短肢剪力墙的定义综合考虑了整体小开口墙、壁式框架、联肢墙的受力性能等，一般以联肢墙的整体性系数a和肢墙系数来定义短肢剪力墙。从经济和安全的角度进行考虑，剪力墙上上的洞口越大，结构的经济性越好，洞口越规则，对结构的受力越有利。因而剪力墙的整体性系数a和肢墙系数对剪力墙的受力起决定性作用。根据受力性能的不同，参考整体性系数a和肢墙系数，将短肢剪力墙分为三类：
　　（1）当整体性系数a≥10，且肢墙系数≤[]时，称为整体小开墙结构，这种结构墙体的整体性比较强，各个楼层的墙肢不会出现反弯点，在水平荷载作用时，结构变形以弯曲型为主，结构的承载力和侧向刚度都比较大，但是结构的延性较差，结构的洞口较小，经济性不突出。
　　（2）当整体性系数a<10，且肢墙系数≤[]时，称为联肢强结构，这种结构墙体的整体性不如整体小开口墙，荷载作用下，结构的变形为弯剪型，结构侧向刚度与框架相比要大，承载力也比框架结构大，经济性比较好。
　　（3）当整体性系数a≥10，且肢墙系数>[]时，为壁式框架结构，这种结构墙体的开洞很大，墙肢相对较弱，水平荷载作用时，在每层墙肢基本上都会出现反弯点，其力学性能与框架结构类似，结构的变形以剪切变形为主，承载了和侧向刚度较小。
4、短肢剪力墙某高层住宅结构中的应用
      4.1项目概况
　　该项目为高档住宅项目，地上共有25栋14到18层的塔楼，地面建筑总面积为28万平方米。在建筑场地地下设置有地下车库，整个地下车库面积约6万平方米，塔楼位置按上部剪力墙布置直落地下室，到足不出户，便可驱车出门，方便快捷。
　　结构的地下室顶板框架梁采用预应力扁梁，截面为900mm×700mm，楼板采用450mm厚现浇空心板，柱网为8.7m×8.7m,柱截面为550mm×550mm。结构的地层架空，作为公共活动空间，层高为4.5m；二层以上层高为2.9m，结构总高为59.6m，结构采用短肢剪力墙结构，底层短肢墙厚为250mm，二层以上短肢墙厚为200mm；核心筒和一般剪力墙厚为200mm。结构采用C35混凝土，采用200厚加气混凝土砌块填充。
　　就结构的整体而言，结合建筑平面和功能要求，结构利用竖向交通中心的分隔墙设置钢筋混凝土剪力墙，组成结构核心筒，结合结构受力的需要和建筑平面布置，在房间分隔墙交点处设置适当的钢筋混凝土短肢剪力墙。各短肢剪力墙间布置连系梁，把短肢剪力墙和核心筒连成一个整体，组成结构的受力体系。

        
      4.2计算参数
　　按照《高层建筑混凝土结构技术规程》的要求，短肢剪力墙的抗震等级应比剪力墙结构的抗震等级提高一级，故本项目短肢剪力墙构件的抗震等级为三级，核心筒和一般剪力墙抗震等级为四级。周期折减系数为0.8，连梁刚度折减系数取0.7，采用静力弹塑性分析的方法评估短肢剪力墙结构的抗震性能。
4.3计算结果
　　本项目按短肢剪力墙布置的方案，采用EPSA的push-over方法进行静力弹塑性分析，计算过程中，采用倒三角形荷载形式，结构控制位移为结构总高度的4%，进行了X向和Y向的推覆计算。计算结果见图2，可以看出，结构的破坏为梁铰机制，和设计意图一致，结构在地震作用下层间位移曲线穿过了7度罕遇地震（amax=0.5）的反应谱曲线，层间位移角为1/295，与6度罕遇地震（amax=0.3）的反应谱相交的层间位移角为1/533，满足规范要求，结构能够满足7度罕遇地震的抗倒塌验算。

               
5、小结
　　本文首先介绍了高层建筑结构中常用的结构体系，重点论述了近年来出现的短肢剪力墙结构体系，结合工程设计实例，对短肢剪力墙的抗震性能进行验算，计算结果表明短肢剪力墙结构具有良好的抗震性能，在高层建筑结构中具有广阔的应用空间。
参考文献：
[1]程文壤，金向前，吴志彬.短肢剪力墙的设计与研究[J].建筑结构
[2]JGJ 3-2002高层建筑混凝土结构技术规程［S］
[3]谢尚勇.短肢剪力墙结构的抗震计算[J].甘肃科技纵横
[4]叶燎原，潘文.结构静力弹塑性分析Push-over的原理和计算实例[J].建筑结构学报