高层剪力墙结构住宅设计与分析

高层剪力墙结构住宅设计与分析

乔小奇

乔小奇西安市住宅建筑设计研究院710001

摘要本文阐述了剪力墙结构设计的原则，高层剪力墙结构的设计不仅应满足正常受力,还应满足抗震构造方面的要求。并介绍了目前应用最多的PKPM系列软件中的三种多高层建筑结构设计软件TAT、SATWE和PMSAP各自的特点和应用范围。

关键词剪力墙结构设计分析

一、剪力墙结构设计原则

为抵抗不同方向的地震作用,剪力墙结构的剪力墙均宜双向均勻布置,楼梯间、电梯井的布置不应导致结构布置有明显的不规则,结构设计时应考虑楼梯存在对整体结构的影响并能按要求设计楼梯构件。

剪力墙的墙肢破坏为剪切破坏形态,是脆性破坏,因而延性较差,在设计时,遵循总体屈服破坏机制应避免由于连梁的强度过高而导致墙肢破坏,如果连梁较强形成整体墙,应加强连梁和墙肢连接处类似塑性铰区的设计。

连梁的破坏会使墙肢之间没有连接而独立工作,结构整体的抗侧刚度大大减小。如果各独立的墙肢能够继续正常工作,那么结构整体在连梁屈服后仍可继续承受各荷载,直至墙肢也屈服破坏。若墙肢的塑性铰区具有良好的延性,那么这种破坏形态也是弯曲破坏,耗能能力和延性都较好。

为达到上述剪力墙设计的目标,剪力墙和连梁应按照“强墙弱梁”和“强剪弱弯”的原则进行设计可以提高联肢墙结构整体抗震性能。

二、剪力墙的截面厚度

一、二级抗震设计时,结构底部承受最大弯矩,应对结构底部适当加强。加强部位的墙厚不应小于层高或墙肢长度的1/16,且不应小于200mm;其他非加强部位不应小于层高或墙肢长度的1/20,且不应小于160mm;当为无端柱或翼墙的一字型剪力墙时,其底部加强部位截面厚度不应小于层高的1/12,其他部位不应小于层高的1/15,且不应小于180mm。三、四级抗震设计时,底部加强部位不应小于层高或剪力墙长度的1/20,且不应小于160mm;其他部位不应小于层高或剪力墙长度的1/25,且不应小于160mm。非抗震设计时,其截面厚度不应小于层高或剪力墙长度的1/25,且不应小于160mm。

1底部加强部位

对底部加强部位的高度剪力墙结构一般取墙肢竖向总高度的1/8或底部两层层高二者较大值。抗震设计时,一、二级剪力墙的底部加强部位及其上一层的墙肢端部应设置约束边缘构件。约束边缘构件沿墙肢方向的布置长度和箍筋的配箍特征值宜符合规范要求,且箍筋的直径不应小于8mm,雜筋间距一级时不应大于100mm,二级时不应大于150mm。

2墙肢配筋要求

剪力墙的水平和竖向分布钢筋的配筋率,一二级时不小于0.25%,四级、非抗震设计时不应小于0.20%,并应至少采用双排钢筋,双排钢筋之间采用拉筋连接,拉筋直径不小于6nim,间距不小于600mm,底部加强区的拉筋宜适当加密;水平和竖向分布钢筋的直径不应小于8mm,也不宜大于墙肢截面厚度的1/10,分布钢筋间距不应大于300mm。剪力墙水平分布钢筋应全部锚入端柱内,锚入长度不应小于规范规定。

对于墙肢截面高厚比为4-8的短肢剪力墙,应按提高一级的抗震等级进行设计,截面厚度不应小于200mm,其底部加强区的纵向钢筋配筋率不宜小于1.2%,其他部位不宜小于1.0%,—、二、三级短肢剪力墙在重力荷载作用下产生的轴力设计值的轴压比不宜大于0.5、0.6和0.7。

3楼、屋盖要求

为保证楼、屋盖能有效传递地震作用,高度超过50m的建筑它采用现绕楼面,对开有较小尺寸洞口的现饶楼、屋盖长宽比在6、7度抗震设防时不应超过4,8度和9度时不应超过3和2。

三、梁构造要求

1连梁顶面、底面深入墙内的纵向受力钢筋的锚固深度,非抗震设计时不应小于Lae,抗震设计时不应小于La且最小不应少于600mm。

2沿连梁全长布置的箍筋应按框架梁梁端加密区的箍筋构造要求采用,非抗震设计时其直径不得小于6mm,间距不得大于150mm。

3顶层的连梁纵向钢筋在深入墙体的长度范围内,应配置构造箍筋,箍筋间距不大于150mm,直径和连梁的箍筋直径相同。

4墙体的水平分布钢筋应作为连梁的腰筋连续拉通布置在连梁范围内;当连梁的截面高度大于700mm时,其两侧面沿梁高范围设置的腰筋的直径不应大于l0mm,间距不应大于200mm;对跨高比不大于2.5的连梁,梁两侧的腰筋的面积配筋率不应大于0.3%。

四、剪力墙结构设计计算软件选择分析

随着计算机技术水平的发展,在充分的理论分析基础上,越来越多的有限元软件应用于不同工程领域的计算,极大提高了生产水平和工作效率。目前在结构设计领域应用广泛的有限元软件主要有以下几种:PKPM系列软件的TAT(薄壁杆单元)、SATWE(墙元)和PMSAP(广义协调墙元)等,PKPM系列软件是目前国内使用人数最多、应用最广泛的一套结构设计辅助软件,针对不断更新的结构设计规范,软件也在不断进行改版和更新,极大的减小了设计人员设计高层建筑结构的工作量,提高了工作效率。目前,PKPMCAD工程部发的结构空间计算程序主要有三个,分别是SATWE、TAT和PMSAP:

lSATWE软件是我国为适应现代高层建筑发展的需要,专门为高层结构设计分析而开发的空间三维有限元分析软件。SATWE软件的主要优势在于解决了剪力墙和楼板的计算模型问题,减小了模型的简化误差,提高了分析精度,使其计算分析结构能更好地反应结构真实的受力变形情况。SATWE软件采用空间杆单元模拟梁柱等构件,釆用基于壳元理论的墙元模拟剪力墙,对于较大尺寸或带洞口的剪力墙,考虑到了剪力墙在空间位置以及几何尺寸等方面具有任意性,对墙元进行细分,再采用静力凝聚原理结合形成了整体墙单元,在模型中直接使用墙元模型,就减少了人为简化构件模型的步骤,而且也使墙元可以划分得更细致,这样就大大提高了计算分析精度和工作效率。SATWE程序另一个优势就在于对于楼板的模拟,在计算时有四种假定,分别是整体楼板平面内无限刚、分块无限刚、分块无限刚加弹性连接板带假定和弹性楼板,在实际工程设计时根据工程需要和计算精度要求选择其中的一种或几种假定。基于以上两个优势SATWE可以用于分析计算多种形式的高层复杂结构。

2TAT软件是采用空间杆系模型进行多高层建筑结构三维空间分析,按薄壁杆模型计算梁、柱等构件,构件每端6个基本未知量,按薄壁柱模型计算剪力墙,在奸件模型的基础上考虑了翅曲变形的影响,与柱单元相比,它的力矩增加了双力矩,同时又考虑了薄壁柱翅曲的影响,将高层建筑结构简化为奸元、柱元和墙元组成的空间杆件系统。所以,当采用TAT对剪力墙进行分析时,对墙体存在的洞口或者墙肢之间的连接,需要进行适当的简化处理,在结构方案的初步设计阶段,这种简化处理可以较好的分析结构存在哪些问题以进行修正。TAT软件的楼板计算釆用了楼板平面内无限刚的假定,新版的TAT软件进行了适当的改进,在前期建模阶段楼板平面内可以输入具有相对位移的弹性节点,采用这种模型计算结构就可以不受平面形状复杂的影响,使得TAT软件也能够计算存在错层、大空间等复杂形式的高层结构。

3《高层混凝土结构技术规程》规定应至少釆用两个力学模型不同的设计软件对体型复杂或结构布置复杂的结构进行受力变形的分析,为满足高层建筑复杂化、高层化的发展趋势和规范要求,推出了独立于SATWE的PMSAP软件,主要是针对特殊多高层建筑的结构设计与分析,软件采用的关键技术仍是通用的有限元分析方法,同时基于最佳协调技术,无论何种洞形式或计算精度要求高的剪力墙都可以采用PKSAP软件进行设计分析。