高层建筑混凝土剪力墙结构设计

摘要:文章就钢筋混凝土剪力墙结构体系的某些具体工程部位的设计问题进行了分析,并提出了改进意见。

关键词:高层建筑;钢筋混凝土;剪力墙;结构设计

中图分类号:TU398.2文献标识码:A文章编号:1006-8937(2010)12-0116-02

钢筋混凝土剪力墙结构体系是高层建筑结构几种主要体系之一。其抗震性能好、空间整洁、适应性强。在工程实践中,工程技术常出现许多争论,甚至会出现工程质量事故。为了确保一个建筑工程结构的安全可靠,必须通过合理的结构布置、结构内力特性的正确分析和计算、合理的构造措施、合格的材料和针对性的施工技术措施才能得以实现。

1平、立面布置

建筑体形应力求简单规则,使刚度和质量中心一致,减少扭转内力;内外剪力墙宜拉通对直,立面门窗洞口宜上下对齐,成列布置,使每片墙肢的内力计算能明确地划分为某一种确切的受力计算图形。例如某工程的异型墙肢和斜交剪力墙交点,受力计算和布筋复杂,给施工带来困难,宜避免。

2墙板厚度和混凝土强度等级

剪力墙承载能力较大,按受力计算所需厚度较小。剪力墙采用双排钢筋,因此考虑配筋构造等要求,剪力墙厚度通常不小于200 mm。剪力墙强度等级宜为C20~C30。对剪力墙与现浇楼板混凝土强度等级差异情况,因剪力墙断面大,混凝土抗力较富余,无需提高强度等级,因此整层结构宜统一为一种混凝土强度等级,以避免施工差错。

3剪力墙内力分析与配筋

高层建筑结构剪力墙,承受结构自重和楼(屋)面层荷载引起的垂直力、风载或地震荷载引起的水平力,必须满足强度、变形、抗裂性和抗震延性等要求。剪力墙受力特性与所开孔洞大小、布置方法直接相关。结构计算划分为:无开孔的单肢剪力墙、开有小孔的整截面墙、小开孔的整体墙(α≥10,In/I≤ζ)、开有一排孔的开联墙和多排孔的联肢墙(1<α<10,In/I≤ζ)、壁式框架(α≥10,In/I>ζ)、框肢剪力墙。因此首先必须判别属于哪一种类型的剪力墙,然后,采用相应的方法进行内力分析和计算,并采用相应的构造措施。

3.1单肢剪力墙

单肢剪力墙为最基本墙体构件。当不考虑纵墙(或横墙)的共同作用时,为矩形截面;当考虑共同作用时,则为I、T等截面形式。

单肢剪力墙作为一个竖立的悬臂构件,在垂直荷载(自重和楼、屋面荷载)和水平荷载(地震荷载)作用下,产生轴力、弯矩和剪力。剪力墙应进行偏心受压(拉)强度、抗剪强度、抗裂性、局部承压强度等分析、计算和配筋。

①剪力墙的偏心受压(拉)强度:剪力墙正截面由于轴压力和弯矩作用组合为偏心受压的计算模型。试验证明,除了距受压边缘1.5x范围的分布钢筋不起作用外,其余竖向分布钢筋的应力最后均达到屈服强度。因此,应考虑竖向分布钢筋的作用。根据力的平衡原理列出两式即可计算大偏心受压正截面强度和钢筋面积。因为地震荷载的双向性,一般配筋A"s=As。墙肢抵抗弯矩由两部分组成:分布钢筋所组成的抵抗弯矩;墙肢端部对称配筋所组成的抗拒弯矩。小偏心受压时,可不考虑竖向分布钢筋的作用,但应同时校核轴心受压强度纵向弯矩的影响,按两种计算较小抗力值采用。经分析可知,剪力墙正截面需配竖向分布钢筋,墙肢两端需配竖向主筋。

②剪力墙斜截面抗剪强度:剪力墙抗剪性能与剪跨比、配筋构造有直接关系。如果剪力墙截面适度,横向配筋率相当,竖筋锚固良好的情况下,它属于剪压破坏型,这也是所希望的。经分析可知,剪力墙斜截面抗剪强度与

普通抗剪强度相比,混凝土抗剪强度系数降低;但由于竖向压应力的存在,又提高了混凝土的抗剪能力。偏心受拉剪力墙斜截面抗剪强度,如果混凝土项的抗剪强度计算值等于或小于零,则不考虑混凝土墙的抗剪作用,全部剪力由横筋承担。

③剪力墙正斜截面的抗裂性:对要求不出现裂缝的剪力墙,需验算抗裂性。经分析可知,要满足抗裂要求,主要依靠剪力墙截面混凝土的抗裂强度。

④剪力墙的变形和延性:单肢剪力墙可采用折算刚度,用结构力学有关公式计算开裂前后的位移。但注意剪力墙开裂后刚度明显降低。根据抗裂分析,提高结构的延性对于提高结构的抗震能力具有重要作用。影响剪力墙延性大小的主要因素有:墙端有翼缘或混凝土强度提高,则延性提高;轴向应力增加,延性明显降低(一般设计,墙上承受的轴向力仅为抗压承载能力的20%左右),竖筋配筋率提高,延性稍有降低,但是在含钢量相同情况下,如果把部分计算钢筋集中配置在墙肢两端边缘构件内,比平均分布情况延性提高。

⑤剪力墙配筋率:经以上内力分析计算可知,剪力墙除了本身混凝土断面的抗力外,需要配竖向钢筋承担部分正截面和配横向钢筋承担斜截面部分抗剪强度。

剪力墙计算高度较大,混凝土截面较大,按抗力计算配筋量很小,甚至有的墙肢,按计算无需配受力钢筋。但是,为了限制斜裂缝开展,保证一定的延性,防止脆性剪压破坏,同时考虑混凝土收缩、徐变、温度等因素对剪力墙开裂的影响,必须按最小配筋率的构造要求在剪力墙内均匀布置横向和竖向分布钢筋。配筋率应满足《高规》构造要求。一般ρ≥0.25%,配钢筋φ12~φ14@200~300 mm。底层、顶层、山墙、楼梯间墙、端开间内纵墙加强部位,需提高配筋率。

⑥剪力墙端部配筋构造:经以上偏心受压(受拉)强度计算分析,以及有关试验证明:把大量计算用竖向钢筋集中配置在墙肢两端,既能提高正截面强度,还可改善延性。因此,不少设计人员总希望把大量的受力筋配置在墙肢端部。例如某工程20 cm厚的墙肢,并排3根(有的墙板甚至是4根钢筋),在楼面竖筋搭接部位(正是每层墙板混凝土浇捣的最深部位),竖筋之间的净距为S=1/2×[200-27×6-2×(10+15)]=-6 mm(注:螺纹筋外径:25约为φ27、φ14约为φ15),当然,接头钢筋不一定完全并列,即使是无法搭接区,钢筋之间的浄距也只有34.5mm。一般为门窗洞边,如配有较密横筋交叉,是无法将该部位的混凝土浇捣密实;或者,即使灌满了,也是强度较低的水泥砂浆。因此,工程施工中,该部位经常出现蜂窝狗洞,这与所追求的加强墙肢端部强度的目的恰恰相反。

3.2小开口整体墙

从整体上分析,它与不开口的单肢基本相同,类似竖向悬臂构件。它的内力和位移计算可近似按材料力学的方法,按组合截面计算,并加局部修整。把在水平荷载作用下按计算刚度分配到该整片剪力墙的弯矩和剪力再分配到该片墙的每个墙肢上。每个墙肢再把水平荷载作用下所分配的内力与该墙肢上所作用的竖向荷载内力组合,就可按以上单肢剪力墙的方法计算配筋。

3.3双肢剪力墙和单肢剪力墙

根据不同类型的内力计算方法,求出各墙肢在水平作用下的内力,再与本墙肢上作用的垂直荷载组合,即可按前面所述放大计算墙肢的配筋。其抗力,由各墙肢单独承担一部分,组合墙体共同作用承担一部分。从整片墙看,两端墙肢内力较大,从各单肢看,单独承担局部弯曲内力两端拉、压配筋较多;又因为地震荷载的双向性,每墙肢两端受力配筋基本对称。

3.4剪力墙小洞口补强筋

由于设备管道等通过墙体,剪力墙中常开设小洞口。各边长度小于80 cm的非连续的小洞口,在整体计算中不考虑其影响时,应将洞口处被截断的分布筋量分别集中配置在洞口上、下和左、右两边,且钢筋直径不应小于12 mm。在实际工程中,有的设计把非连续的小洞口等同于连续的门窗大洞口,两边按暗柱配筋,上下按连梁配筋,这是不必要的,它造成材料浪费,给施工带来不必要的难度。

4连梁内力分析与配筋

由于门窗洞口把整片墙划分为几个墙肢,墙肢之间依靠上下洞之间的连梁把墙肢连接起来,并传递墙体之间的荷载。连梁的设计是开孔剪力墙设计中的一个关键问题。剪力墙中连梁的受力性能,与普通细长的梁不同,与深梁也不同。试验说明:如果将主筋沿梁的对角线方向设置,则梁的延性、强度均改善。难怪有不少的工程设计,对连梁除了按普通梁配置纵向主筋和箍筋外,又配置了对角筋,真可谓“双保险”。

现试分析某工程连梁和洞口配筋,如图1所示。设计人员画配筋图时,一般是分别画出墙肢、梁、附加筋几部分,有的即使是标注在一个图上,也未必去排列一下各层次钢筋如何放置。试分析左图断面,从一侧排到另一侧:混凝土保护层(15 mm)、墙横筋(φ14)、暗柱主筋(φ25)、连梁箍筋(φ8)(重叠)、连梁主筋(φ25)、对角斜筋(φ25)、暗柱中间竖筋(φ25)、连梁中间主筋(φ25)、对角筋(φ25)、连梁主筋(φ25)、连梁箍筋(φ8)(重叠)、暗柱主筋(φ25)、墙横筋(φ14)、混凝土保护层(15 mm)。有12根筋并列相交,如果一点缝隙不留,也需要墙厚276 mm,实际墙厚只有200 mm。再者,2-2剖面,水平方向较长范围有多层并排了3φ25筋,还有竖筋、斜筋交叉,无法浇入混凝土,因此该工程大部分洞口边及连梁,出现了严重的蜂窝洞,虽经修补,也降低了抗力。

5剪力墙相交节点受力分析与构造措施

墙与墙相交节点,是构件连接点、传力点,是各种荷载以及内外环境造成的各种内力系的汇交点,又是结构施工质量难保证的部位,因此,它是建筑结构开裂破坏的敏感区。由于受力复杂,方向多变,要准确计算各种节点的内力是非常困难的,但是分析其各种可能出现的受力性能及破坏方式,并采取可靠的构造措施是非常必要的。

6结语

①某些工程的结构平立面布置不太合理,结构受力性能不够明确,内力分析与计算时,不知属于哪种结构计算类型,因而有些设计加大配筋量,造成了浪费,增加了施工难度。②结构节点和墙肢连梁,受力性能复杂。有的设计,对其受力特性缺乏分析和理解,竟把几种不同类型的节点构造配筋汇集到自己的工程节点上,似乎安全可靠。然而,钢筋排列和混凝土浇捣困难。③任何一个建筑产品必须在一定物质条件下,其设计和施工才能完成。在应用规范的具体条文或设计规定时,如果不考虑施工条件的可能性,就会适得其反,造成工程质量隐患;如果施工人员仅考虑施工规范,不考虑结构受力性能,片面追求施工方便,也会造成工程质量隐患。

参考文献:

[1] GB50010,混凝土结构设计规范[S].

[2] JGJ3-2002,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

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