高层住宅建筑中的短肢剪力墙结构体系[提要]本文介绍一种适用于高层住宅建筑的短肢剪力墙结构体系，扼要叙述这种体系的构成、特点、设计原则和有关问题。关键词:高层住宅建筑、短肢剪力墙、结构体系一、建筑形式我国南方一些大、中城市，都大量兴建住宅楼，由于用地紧张，其中建造高层者为数甚多。高层住宅楼的形式有多种，其中一种属于塔式的般是每层6~8户，把楼梯、电梯及竖向管道井置于中部，形成一个竖向交通中心，各住宅单元则围绕该中心布置，构成多式多样平面。每个住宅单元的面积约为60~100m2，以3~5室居多，另设厨房、卫生间和阳台。其竖向多为20~30层，层高约2.8-3.2m,总高度一般不超过100m。有些住宅楼将底部一层或数层作公共性用途，如餐厅、商店或其他服务性设施等。经过相当长时期的使用，认为这种格局的高层住宅各单元的通风采光良好，平面紧凑，而且较为经济，已普遍地被接受，其设计手法亦已基本趋于定型。二、结构体系对于这类高层建筑，根据我国国情，都是采用钢筋混凝土结构。作为高层建筑，其结构体系本可能是多式多样的1。但根据其平面特点，通常都利用中部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简体，这-?-部分的结构布置与建筑平面没有明显的矛盾，往往都能实现。至于外围部分，即各户的位置处则要视建筑的平面布局而定，可以布置为框架或剪力墙，这样，对整幢建筑来说分别形成简体框架结构或简体-剪力墙结构。但外围部分采用框架或剪力墙这两种形式则各有--定的优点和缺点，简单分析如下。(一)采用框架结构首先，由于住宅的房间分隔-?-般都不规整，柱网难以布置。若在分开隔墙相交处设柱，则难以形成规则的框架;若按规则框架要求设柱，则柱位与分隔墙相错开，影响平面使用。其次，不论如何布置柱网，都存在着由于柱截面大于隔墙厚度而造成柱子外凸(特别是分隔墙较薄时)，影响家俱布置和美观。从受力角度看，框架结构抗侧力性能较差，当为不规则柱网时更为明显。因而往往会难以满足抗侧力的需要或者大大地加重中部简体的负担。虽然可以通过与建筑设计的配合、合理调整构件布置及尺寸等而获得解决，但难度较大，往往受条件限制而难于实现。
采用框架结构的较大优点是当底部作为公共设施时，由于竖向构件数量少且都是柱子，对平面使用较有利;框架结构的构件较单纯，施工简单且周期较短。(二)采用剪力墙结构剪力墙可以沿房间分隔布置，能与建筑平面较好地配合，而且剪力墙也是分隔墙，无柱子外凸的缺点。对住宅这部分来说是恰当的，但对于底部有公共设施的情况则矛盾甚大，除非是另设结构转换层将下部改为另一种结构形式，但这时又出现了要处理结构转换层的间题。此外，剪力墙结构构造比柱要复杂。从受力角度看，剪力墙侧向刚度大，与中部简体相结合，可以构成整体抗侧力很强的体系，对较高建筑特别有利。但若房屋高度不大，反而会造成刚度过大而招致较大的地震作用，而且造价较高，也不是理想的方案。当然也可以通过削减部分剪力墙以降低刚度，但剪力墙稀疏了又会造成对楼盖结构布置不利。(三)结构体系的改进外围部分采用上述两种结构形式，各有其优缺点，但两者相比，剪力墙稍优于框架。经过不断的实践及改进，以剪力墙为基础，并吸取框架的优点,逐步发展而成一种能比较适应这种高层住宅建筑的结构体系，即所谓“短肢剪力墙”结构体系，在我国南方，颇受房产发展商和用户欢迎，建筑师亦深表赞同，因而采用这种体系已建成大量的高层住宅，它在各方面的效果都很好，已成为高层住宅常用结构体系。三、短肢剪力墙结构体系(一)体系的构成及其特点“短肢”剪力墙属于剪力墙结构体系，只不过是采用较短的肢(“短肢”的定义并不很严格，一般可理解为其肢长约2m左右或以下)，而且通常采用T形、L形、]形等形式。当这些墙的肢相当短(肢长≤4倍墙厚)时，它已接近于柱的形式，但并非是方形或矩形，因此，亦称之为.“异形柱"。以异形柱及连系它们的梁组成的框架结构，就称之为“异形柱框架结构”。笔者认为:实际的高层住宅，尤其是当高度较高时，由于抗侧力的需要，所布置的往往不全是异形柱，而经常需要混合或主要采用短肢剪力墙，故从广义角度，宜将这种结构体系称之为“短肢剪力墙结构体系”。短肢剪力墙主要布置在房间分隔墙的交点处。视抗侧力的需要及与分隔墙相交的形式而布置适当数量的相应形式的短肢墙，并在各肢处布置连系梁，把这些墙连结成一个整体以构成结构体系。未利用来布置剪力墙的间隔墙则用轻质砌体来填补。在这种体系中，根据需要并对结构有利的情况，也可以混合布置部分长肢墙或方(矩)形柱。这种结构体系并不是种新的结构体系，但是它结合建筑的特点，形成一种较为特殊的形式，实质上是剪力墙结构体系的一种分支。其特点是:1.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2.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3.能灵活布置，可选择的方案较多，较易处理楼盖的支承4.连结各墙的梁，亦随墙肢位置而位于间隔墙竖平面内，属于隐蔽型的5.由于减少了剪力墙而代之以轻质砌体，房屋总重量可以减轻，加快施工速度6.视建筑平面及抗侧力的需要，对中心竖向交通区可处理成为筒体或做成短肢剪力墙。此种体系同样适用于层数较少的梯间单元式高层住宅。由于上述特点，在结构布置方面灵活性及可调整性大，因此不难得出合理的结构方案。在抗震方面，普通剪力墙已有成熟的经验，而异形柱也已通过实验研究，证明其抗震性能可靠[3]。不过，正是因为它的灵活性较大，随之结构布置也可能有很大的差别，从而导致有不同的效果。总结过去的实践，若要取得好的效果，这种体系在结构布置方面宜掌握下面列举的原则。(二)短肢剪力墙结构体系结构布置的一般原则1.短肢墙的数量应当适中，满足竖向荷载和抗侧力需要即可2.短肢墙应尽量均匀分布，使其轴向应力不相差悬殊，而且也便于支承楼盖3.当有抗震要求或风力较大，或者平面凹凸较多时，应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4.各短肢墙应尽量对齐、拉直，使之与连梁--起构成较规整且连续跨数较多的抗侧力片，当然，不能完全做到时也容许局部互相错开5.每道短肢墙宜有两个方向的梁与之连结，连梁尽可能布置在墙肢的竖平面内。连梁宽度一般与墙肢厚度相等，但受力或构造需要时，也可比墙肢厚略大或略小6.墙肢不宜过厚，尽量不凸出或少凸出间隔墙表面，但亦不应太薄以至稳定性差和施工困难，以采用200、250?或300mm为宜7.必要时可以混合布置部分较长的墙或方(矩)形柱。、有关短肢剪力墙结构设计中的几个问题(一)楼盖形式这种结构体系的楼盖结构形式常采用肋形楼盖或大跨度板两种形式。肋形楼盖主、次梁通常布置在间隔墙位置，当形成的板跨较大时，也可再设适当的次梁。图1例及图2例均属于这种形式。但此时应注意短肢墙的设置位置，使梁尽量直接由墙肢支承，避免增加传递层次。另外一种是大跨度楼板，当一个住宅单元不太大且较规整时，可在一个单元内设大跨平板(部分间隔墙看作是它的荷载)当住宅单元较大或平面形式不太规整时，则可在个住宅单元内分设2~3块比较大跨度的板，图3例属于这一类。对于这种楼盖结构，短肢墙和梁的布置要结合楼板的划分来考虑。由于板上间隔墙可任意设置，故有利于住宅单元平面间隔的多样布置或改造。(二)结构转换层由于短肢剪力墙的肢比较短，一-般可以?提供稍为空旷的空间，故当住宅楼下部若干层对较大空间的要求不高时，有时也能满足要求。但对空间要求较高时，就不可避免要设置结构转换层来减少下部几层的竖向构件以获得更大的空间。实践证明，这种情况用结构转换层来处理是可行和可靠的，而且比之一般剪力墙结构体系较易处理。对于短肢剪力墙结构体系的结构转换层设计，可遵循下述的原则。1.应协调上、下部分结构布置，尽量减少转换结构的数量2.转换结构以采用梁式为宜，且最好直接承托上部竖向结构，避免或少用主、次转换梁的形式3.上部竖向构件尽可能置于转换梁靠近支座处，以利竖向力的传递4.通过转换往往会造成下部结构刚度的削弱，故应在结构处理时尽量缩小削弱的程度，般可以通过加强简体及调整各构件尺寸来解决，并按框支结构来处理
5.转换构件较多时，可将之组合形成转换层。但不管那种形式，转换层都应具有较好.的整体性和足够的刚度，不过刚度亦不宜过大而造成竖向刚度的突变。(三)整体计算这种结构体系的构成构件形式较多，且其布置一般不太规整。故作整体分析时宜采用三维的分析方法。其中竖向构件可采用开口薄壁杆模型，如用墙元模型则更为合理。因此，对于这种结构体系的分析，完全可以采用目前国内流行的几种三维分析方法的计算软件。对于具有结构转换层的情况，除参与整体分析外，尚应对其自身作较详细的局部分析，一般可用平面有限元方法。(四)构件设计这种结构体系所采用的结构构件，除短肢墙外，都是常用的构件，均可按照常规的方法进行设计。对于短肢墙，属于剪力墙的范畴，可采用一般剪力墙的设计方法。至于异形柱，广东省已编制了《钢筋混凝土异形柱设计规程》。该规程针对肢长与肢宽之比小于4的情况提供了在双向压弯下的计算方法及构造措施，其中内力分析的-般方法以及构造原则，对肢长与肢宽比略大于4的短肢剪力墙亦可参考采用。
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，1994年11月。[2]?广东省建设委员会:钢筋混凝土异形柱设计规程(DBJ/T15-15-95)，1995年4月。[]卫园、冯建平:周期反复荷载下L形截面柱的试验研究，华南理工大学学报(自然科学版)，第23卷第3期，1995年3月。
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