对高层建筑混凝土结构短肢剪力墙定义的商榷.pdf

第 3 6卷第 5期 2 0 1 0年 1 0月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 3 7 对高层建筑混凝土结构短肢剪力墙定义的商榷 梁海峰 ， 李文雄 ( 1 中山市沙溪镇建设管理所 ， 广东 中山5 ：2 8 4 0 3 ； 2 华南农业 大学水利与土 木工 程学 院 ， 广东 广 州5 1 0 6 4 2 ) 摘要 ： 短肢剪力墙结构和部分短肢剪力墙结构体系， 能很好地满足建筑功能的要求。对于短肢剪力墙的定义， 存在着一定 的分歧。通过 3个算例的最小高厚比限制的验算 ， 验证了“ 广东省实施 高层建筑混凝土结构技术规程 补充规定” 对短肢剪 力墙定义的合理性 ， 同时也指出了 高层建筑混凝土结构技术规程 短肢剪力墙定义的适用范围， 供同行们讨论。 关键词： 短肢剪力墙； 高厚比； 高层建筑 中图分类号 ： T U 9 7 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 8 1 9 3 3 ( 2 0 1 0 ) 0 5 0 3 7 0 5 Re s e a r c h o n d e fin i t i o n o f s h o r t p i e r e d s h e a r wa l l o f t a l l b u i l d i n g L I ANG Ha i f e n g ， LI W e n x i o n g ( 1 En g i n e e r i n g Co n s t r u c t i o n Ma n a g e me n t S y s t e m o f S h a x i T o wn， Z h o n g s h a n 5 2 8 4 0 3， C h i n a； 2 C o H e g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d C i v i l E n gin e e r i n g ， S o u t h C h i n a A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y ， G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 2 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Sh o r t p i e r e d s h e a r wa l l s t r uc t u r e an d pa rtl y s ho rt pi e r e d s he a r wa l l s t r u c t ur e c a n s a t i s f y t h e d e ma nd o f b u i l di n g f u n c t i o n we l 1 I t i s d i ff e r e n c e f o r e v e r y o n e S v i e w o n d e fi n i t i o n o f s h o rt p i e r e d s h e a r wa l 1 Ba s e d o n t h e a n a l y s i s o f t h e mi n i mu m r a t i o v a l u e o f t h e p i e r h e i g h t t o i t s t h i c k n e s s ， a c c o r d i n g t o t h e c alc ula t i n g r e s u l t s o f t h r e e e x a mp l e s ， t h e a rti c l e p r o v e t h a t ， t h e d e fi n i t i o n o f s h o r t p i e md s h e a r w a l l a c c o r d i n g t o t h e A d d i ti o n a l R e g u l a t i o n s o f T e c h n i c al S p e c i f i c a t i o n f o r C o n c r e t e S t ruc t u r e s o f T a l l B u i l d i n g ( J G J 32 0 0 2 )i n G u ang d o n g p r o v i n c e i s r e a s o n a b l e I t a l s o giv e s o m e a d v i c e s o n t h e d e s i g n o f t h e s h o rt p i e r e d s h e a r w a l 1 Ke y wo r d s ： s h o rt p i e r e d s h e a r w a l l ： t h e r a t i o v alu e o f t h e p i e r h e i g h t t o i t s t h i c k n e s s ； t a l l b u i l d i n g 0 引 言 短肢剪力墙结构和部分短肢剪力墙结构体系能 很好地满足大开间、 平面及房间布置 ， 灵 活方便 ， 且 室内不出现柱楞、 不露梁等方面的要求 ， 因而， 应 用 越来越广泛。 J G J 3 2 0 0 2 高层建筑混凝土结构技术 规程 ( 下文中简称“ 高规” ) 第 7 1 2条的“ 注” ， 对短肢剪 力墙的定义为 ： “ 短肢剪力墙是 指墙 肢截面高度 与 厚度之比为 5 8的剪 力墙” 。广东省实施 J G J 3 2 0 0 2 高层建筑混凝土结构技术规程 补充规定 ( 下 文中简称“ 广东高规补” ) 第 3 2 3条， 对短肢剪力 墙 的定义为： “ 剪力墙截 面高度与厚度之 比大于 4 、 小于 8时为短肢剪力墙。当剪力墙截面厚度不小 于 层高的 1 1 5， 且不小于 3 0 0 m m， 高度与厚度之 比大 收稿 日期 ： 2 0 0 9 - 0 3 - 0 4 作者 简介 ： 梁海 峰( 1 9 7 9一) ， 男 ， 广 东中 山人 ， 硕 士， 结构 工程师 ， 主 要从事建筑结构设计和建筑工程管理工作。 E m a i l ： l h f z s 21 a n c 0 m 于 4时仍属一般剪力墙 ” 。 黄东升在文献 2 中论证 了“ 高规 ” 对短肢剪力 墙高厚 比为 58的规定是有依 据 的。并且指 出 ， ， ， 可用肢高厚比 =( h 1 +b ) 6 的最小 限值 3 来表达 ， 即短肢剪力墙的最小肢高厚 比应满足 口 。文献 2 通过 8层 、 1 O层、 l 2层 3个双肢 对称短肢剪力墙 ( 层高 2 8 m， 墙厚 2 0 0 m m) 算例 ， 显示 了短 肢剪 力墙 的最 小 肢高 厚 比最 小 值 为 4 1 O ， 最大值为 7 4 5 ， 大多集 中在 58之问。 对于文献 2 的结论， 本文认为是 比较保守的。 在文献 2 的表 2中， 短肢剪力墙 的高厚 比最 小限 值在 45之 间的个数 占总数 的 比洌， 在 8层 、 l 0 层、 1 2层 3个算例 中分别 占 l 4 1 ， 1 2 3 ， 2 9 ， 那么， 数值在 4 5之 间的短肢剪力墙高厚比最小限 值也不该被忽视。结合广东地 区建造短肢剪力墙结 构和部分短肢剪力墙结构较多 积累 了丰富实践经 验的实际情况下 ， “ 广东高规补”对短肢剪力墙高厚 比为大于 4 、 小于 8的规定是有根据的、 可行 的。 对于“ 广东高规补” 的定义 ： “ 当剪力墙截面厚 3 8 四川建筑科学研究 第 3 6卷 度不小于层高的 1 1 5 ， 且不小于 3 0 0 m m， 高度与厚 度之比大于 4时仍属 一般剪力墙 ” ， 本文将在下文 中进行计算验证。 1 墙厚为 3 0 0 mm的短肢剪力墙的肢 高厚 比 的最小限值计算 1 1 短肢剪力墙最小高厚比 的求解式 本文以中高层住宅建筑 中常见 T形 的对称双 肢剪力墙 为算例 。墙 厚为 b ( 本 文算例 均为 3 0 0 m m) ， 腹板高 h 。 =n b (n为腹板的高厚 比) ， 翼缘宽 b =砌 ， 取短肢剪力墙组合截面 的对称轴为坐标 轴 ， 墙肢截面形心 到坐标轴 的距离为 ， 洞 口宽度 ( 即两墙肢之间的距离) 为 2 o ， 连梁高度为 h ， 把两 端肢翼缘的形心之间的距离称为肢距 ， 记作 f ， 由此 可得到截面的几何特征如图 1 所示 。 图 1 短肢剪力墙组合截面 Fi g 1 Co mpos i t e s e c t i o n o f s ho r t - pi e r e d s he a r wa l l 一 个墙肢的截面面积： A =( m+r t ) 6 ( 】 ) 墙肢截面形心到坐标轴的距离 ： h i ( 口 。 +下 1 )+了 1 6 r 2 一 形心的惯性矩 ； ， 为扣除墙肢惯性矩后剪力墙的惯 性矩) ， 而满足条件 n 1 0， 但不满足 ， n ， 的是 异性框架柱 。 条件 j n i 改写为 ： 一l ( 6 )1 把式( 4 ) ， ( 5 ) 代人式 ( 6 ) ， 得 _ ( 6 6 3 + 6 ) + 2 h ( n 。 + 1 )+ 1 m h1+ b 1 1 ( 7 ) 令 后 ： 一 1 ，A ： ，6 ： ， 代 人 式 ( 7 ) ，短 肢 剪 S 12 1 力墙的最小限值 J8 可以近似表达如下式 ： 观察式( 8 ) ， 等号左边 =( b +h ) b =1 +凡 ， 凡为未知量； 等号右边中的 A=了 _O f= ，也有 1 ， 0 未知量 n， 即式( 8 ) 为一个迭代求解方程式， 本文将 采用 E X C E L 2 0 0 3的迭代求解功能解方程式( 8 ) 。 1 2 短肢剪力墙适用的 值的计算 文献 7 和旧规范 J G J 3 9 1 钢筋混凝土高层 建筑设计与施工规程 只给出了整体系数 n 1 0时 的 值 ； 文献 2 中通过弹性有限元法对 8 ， l 0， l 2层 对称双肢剪力墙进行分析 ， 得出了4 n 1 0时的 系数 值 ， 见表 1 。 表 1 值 系数 ( 2 )T a b l e 1 L i s t o f v a l u e 一 个墙 肢截 面的惯性 矩 ： i = ( 6 6 3 + 6 ) + i ( 3 ) 短肢剪力墙组合截面的惯性矩 Jr=2 i +2 A x ， 即： 2 b 1 ( 。 。 + ) + 6 一+ _ ( 6 6 3 + ； 6 ) + ( 4 ) 2 b 1 ( 。+ 1 1)+ 1 6fz h】+ b ( 5 ) 文献 1 指出， 满足条件 01 0 ， I n I 的是 短肢剪力墙(n为整体系数； ， 为剪力墙对组合截面 从表 1中可得 ， 值与 n值、 结构总层数和荷载 形式有关。当结构总层数和荷载形式已确定的情况 下， 值由 n值确定。 整体系数 n可由下式求得 ： ，j z ， (9 ) 式中 结构总高度 ； J 考虑剪切变形后的连梁截面惯性矩； 卜 I 粱海峰 ， 等： 对高层建筑混凝土结构短肢剪力墙定义的商榷 3 9 a j 连梁的计算跨度； ， n 两个短肢墙肢 对组合截 面形 心 的惯 性 矩之 和 ； ， 两个短肢墙肢截面惯性矩之和； h层高 ； Z 两个墙肢轴线问的距离。 各符号的具体计算公式分别如下。 T形截面的连梁截面惯性矩可近似取其矩形截 面的 2倍 ， 则连梁的截面惯陛矩为 ： ， b j，。=2 ( 1 o ) 考虑剪切变形后 的连梁截面惯性矩为 ： 1 4 b j ,O 2 ，G 42 E GAb ( 1 1 ) 连梁的计算跨度 ： = + h b( z 为连梁净跨； h 为连梁高度) ( 1 2 ) 两个墙肢轴线 间的距离 ： =2 x ( 1 3 ) 结构 的层数、 层高和总高度 已知 ， 由于 ， ， ， i 的 值与 n值有关 ， 因此 ， 在进行第一次迭代运算 时， 先 假定一个 n值 ， 并确定肢距、 连梁高度 ， 通过式 ( 9 ) ( 1 3 ) ， 求得整体系数 a 值 ， 进而求得 值并计算得 值 ； 通过假定 的 值也可求得 A； 把参数 ， A， 代 入式( 8 ) ， 求得本次迭代的 3 ， 并得到 凡： 3 一1 ； 用新 的 t 值重新计算整体系数 a值 ， 把新的 i ， A值 代入式 ( 8 ) 进行下一次迭代计算 。如此循环反复 ， 直到前后 2次计算得到的 n值的误差在要求的精度 内。本文用软件 E X C E L 2 0 0 3实现 了上述的迭代计 算过程 ， 计算结果 的最大误差定为 0 0 0 1 ， 最多迭代 次数为 3 0 0次。 1 3 计算结果 本文对文献 2 的 3个算例 ， 进行求墙厚为 3 0 0 m m时最小 高厚 比限值 JB 的计算 ， 3个对称双肢 短肢剪力墙结构分别为 8层、 1 0层和 l 2层 ， 层高均 为 2 8 m， 总高分别为 2 2 4 1 T I ， 2 8 0 11 q ， 3 3 6 1 T I ， 墙厚 均为 3 0 0 IT l n 。计算得到的结果分别见表 2 4 。 表 2 8层结构算例短肢剪力墙墙肢高厚比最小值 口 T a b l e 2 Mi n i mu m r a t i o v a l u e o f t h e p i e r h e i g h t t o i t s t h i c k n e s s o f 8 - fl o o r s t r u c t u r e 楼层 m 肢距 l m 连梁高度 h b m O 6 3 7 O 3 8 3 3 9 4 4 O 2 4 O 8 4 1 2 0 6 5 3 8 3 3 9 8 4 1 l 4 2 O 4 2 8 4 3 3 0 7 3 9 5 4 1 2 4 2 6 4 3 7 4 4 6 4 5 3 2 4 4 o o 4 5 O 5 O 0 5 5 O 6 O 0 6 5 O 7 o o 4 o o 4 5 0 5 O 0 5 5 0 6 oo 6 5 0 7 o o 4 O 0 4 5 0 5 O 0 5 5 O 6 O 0 6 5 0 7 0 o 4 0 o 4 5 O 5 O 0 5 5 0 6 o o 6 5 O 7 o 0 3 8 4 3 9 9 4 1 2 4 2 1 4 2 9 4 3 5 3 3 7 3 5 1 3 6 5 3 7 7 3 6 I 3 7 6 3 8 9 3 8 4 3 9 9 4 0 7 一 3 6 6 5 7 8 9 O l 3 3 3 4 4 O 1 O 7 6 7 8 8 3 3 3 3 3 3 3 0 7 3 3 3 3 2 3 ” 3 3 4 4 4 3 3 3 3 4 5 2 5 6 7 3 3 3 3 3 4 2 3 4 0 四川建筑科学研究 第 3 6卷 1 2 2 3 4 5 4 5 0 5 O 0 5 5 0 6 O 0 6 5 0 7 O 0 4 0 o 4 5 O 5 O O 5 5 O 6 0 o 6 5 0 7 O 0 4 O 0 4 5 0 5 0 0 5 5 O 6 o o 6 5 0 7 O 0 4 O 0 4 5 O 5 O 0 5 5 O 6 O 0 6 5 0 7 o o 2 7 2 2 7 7 2 8 1 2 8 4 2 8 6 2 8 7 2 6 2 2 6 7 2 7 2 2 7 5 2 7 7 2 6 0 2 6 5 2 6 9 2 6 O 2 6 4 2 9 2 2 9 9 3 0 5 3 1 O 3 1 3 3 1 6 2 7 9 2 8 7 2 9 4 2 9 8 3 0 2 3 0 5 3 0 7 2 7 8 2 8 6 2 91 2 9 5 2 9 9 2 7 8 2 8 5 2 9 0 2 9 4 3 O 9 3 1 8 3 2 6 3 3 2 3 3 7 3 4 1 2 9 5 3 0 4 3 1 2 3 1 9 3 2 4 3 2 9 3 3 2 2 9 4 3 O 3 3 1 O 3 1 6 3 2l 3 2 4 3 2 7 2 9 4 3 O 3 3 0 9 3 1 5 3 1 9 3 2 2 3 2 4 3 3 5 3 4 4 3 5 2 3 5 8 3 6 4 3 0 8 3 1 9 3 2 9 3 3 7 3 4 -4 3 4 9 3 5 4 3 0 8 3 1 8 3 2 7 3 3 4 3 4 0 3 4 5 3 4 9 3 0 8 3 1 8 3 2 6 3 3 3 3 3 9 3 4 3 3 4 7 3 3 8 3 5 0 3 6 0 3 7 0 3 7 7 3 8 4 3 2 O 3 3 3 3 4 4 3 5 3 3 61 3 6 8 3 7 4 3 2 O 3 3 2 3 4 2 3 5 O 3 5 8 3 6 4 3 6 9 3 2 0 3 3 2 3 41 3 5 0 3 5 7 3 6 2 3 6 7 3 5 0 3 6 4 3 7 5 3 8 6 3 9 5 4 0 3 3 3 l 3 4 5 3 5 7 3 68 3 7 7 3 8 5 3 9 2 3 3 0 3 4 4 3 5 5 3 6 5 3 7 4 3 81 3 8 8 3 31 3 4 4 3 5 5 3 6 4 3 7 2 3 7 9 3 8 5 3 6 2 3 7 6 3 8 9 4 0l 4 1 1 4 2 0 3 4 1 3 5 6 3 6 9 3 8 1 3 9 2 4 O 1 4 0 9 3 4 0 3 5 5 3 6 7 3 7 8 3 8 8 3 9 7 4 0 4 3 41 3 5 5 3 6 7 3 7 8 3 8 7 3 9 5 4 O 2 3 7 2 3 8 8 4 02 4 1 5 4 2 6 4 3 6 3 5 0 3 6 6 3 81 3 9 4 4 0 5 4 1 5 4 2 5 3 4 9 3 6 5 3 7 9 3 9 1 4 O 2 4 1 l 4 2 O 3 5 O 3 6 5 3 78 3 9 O 4 O 0 4 1 O 4 1 7 3 8 2 3 9 9 4 1 4 4 2 7 4 4 0 4 51 3 5 8 3 7 6 3 91 4 O 5 4 1 8 4 2 9 4 3 9 3 5 8 3 7 4 3 8 9 4 0 2 4 1 4 4 2 5 4 3 4 3 5 8 3 7 5 3 8 9 4 O 2 4 1 3 4 2 3 4 3 2 2 0 1 0 N o 5 梁海峰， 等 ： 对高层建筑混凝土结构短肢剪力墙定义的商榷 4 l 1 4讨论 从表 2 4这 3个算例计算结果可 以看到 ， 墙肢 厚为3 0 0 m m的短肢剪力墙墙肢高厚比最小值大多 集中在 3 4之 间， 最小值 2 6 0 ， 最大值 4 8 5 ， 比文 献 2 的结果小得多。此结果反映了“ 广东高规补” 第 3 2 3条关于 3 0 0 m m厚的剪力墙当高厚 比大于 4时仍属一般 剪力墙 的规定是 合理 的、 有根据 的。 但从表 中结果也可看到 ， 当剪力墙肢距越大时， 高厚 比最小限值也越大 ， 有 的甚 至超过 了4 。这说明 ， 此 时再按“ 广东高规补” 的定义为一般剪力墙 ， 就不是 那么合理 ， 墙肢有可能出现反弯点。另外 ， 取临界情 况， 墙厚 3 0 0 I n r f l ， 层高 4 5 0 0 m n ( 3 0 01 5= 4 5 0 0 ) ， 墙肢长 1 2 5 0 m i l l ， 按 “ 广东高规补 ” 第 3 2 3条 的规 定仍属一般剪力墙 ， 但按实际经验看 ， 这种墙是有点 短了， 把它仍定义为一般剪力墙有点牵强了， 本文作 者认为 ， 还是应该把这种墙定义为短 肢剪力墙按规 范进行加强 。 2 结 语 “ 广东高规补” 关于短肢剪力墙的定义 ， 是在广 东省有建造大量剪力墙结构房屋的丰富经验的前提 下订立的 ， 本文也通过算例验证了其也是有理论根 据的 ， 这个定义适用于一般情况 。短肢剪力墙的研 究还涉及许多问题 ， 例如短肢剪力墙 的截面形式、 振 动台试验中的吸震耗能性能等， 本 文只是结合规范 对短肢剪力墙的定义进行初步的探讨。对于文中提 到的一些临界情况 ， 和当结构平面布置中剪力墙 较 少 、 肢距较大使得 结构整体性不 强时 ， 还是应该 按 “ 高规” 较为严格 的定义去界定短肢剪力墙。 参考 文 献 ： 1 程文溱 ， 金 向前 ， 吴志彬 短肢剪力墙 的设计 与研 究 ( 一 ) J 建筑结构 ， 2 0 0 1 ， 3 1 ( 7 )： 5 1 - 5 2 2 黄东升 ， 程文滚 ， 彭飞 短肢剪力墙 的设计 与研 究 ( 二 ) J 建筑结构， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 8 ) ： 1 0 - 1 1 3 G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 混凝土结构设计规范 S 北京： 中国建筑工 业出版社 2 0 0 2 4 G B 5 0 0 1 12 0 0 1建筑抗震设计规范 S 北京 ： 中国建 筑工业 出版社 ， 2 0 0 1 5 J G J 32 0 0 2 ， J 1 8 62 0 0 2高层建筑混凝土结构技 术规程 S 北京 ： 中国建筑 工业出版社 ， 2 0 0 2 6 J G J 3 - 2 O O 2高层建筑混凝土结构技术规程补充规定 S 7 包世华， 方鄂华 高层建筑结构设计 M 2版 北京： 清华大学 出版社 ， 1 9 9 0 ( 上接 第 3 6页) 构技术规程 第 7 2 1 0条规定中的公式对转角区腹 板的强度、 稳定性等问题未能涉及 ， 经足尺试验和有 限元计算 ， 为了安全起见 ， 应在转角节点区设置斜 向 加 劲肋 。 ( 2 )研究结果表明 ， 在转角节点 区设置斜 向加 劲肋， 可以提高试件的承载力。在实际工程中， 当外 翼缘受拉时 ， 建议在转角节点区设置斜向加劲肋 ， 以 防止结构失稳 ， 并能有效地改善结构的延性。 ( 3 )有限元计算结果与试验结果吻合较好 ， 作 为试验手段的有益补充 ， 有限元分析便于对 门式刚 架转角节点区的受力性能进行全面而准确的评估 。 参 考 文 献 ： 1 魏 明钟 钢结构 M 武汉 ： 武汉工 、世大学 出版社 。 2 0 0 0 2 T r e b i l c o c k P J B u i l d i n g D e s i g n U s i n g C o l d F o r m e d S t e e l S e c t i o n s ： An Ar c h i t e c t S Gu i d e UK： Th e S t e e l C o n s t r u c t i o n I n s t i t u t e， 1 9 9 4 3 中国工程建设 标准化 协会 门式 刚架轻型 房屋钢 结构技 术规 程 M北京 ： 中国计划 出版社 ， 2 0 0 3 4 A l e x a n d e r N e w m a n Me t a l B u i l d i n g S y s t e ms Mc G r a w Hi l l I n c 。 1 9 9 7 5 石永久 ， 廖 新军 ， 王元 清 门式刚架梁 柱 r形 节点受力 性 能的 试验研究 J 中国矿业大学学报 ， 2 0 0 5 ( 3 ) ： 3 2 7 3 0 6 张亚欧， 谷志飞 A N S Y S 7 0 有限元分析实用教程 M 北京： 清华 大学出版社 ， 2 0 0 4 7 赵海峰 ， 蒋迪 A NS Y S 8 0工程 结构实例分析 M 北京 ： 中 国铁道 出版社 ， 2 0 0 4 8 荆军 ， 王元清 ， 石 永久 门式 刚架轻 型钢结 构端板连 接节点 性能研 究与设计 J 建筑结构 ， 2 0 0 0( 4) ： 1 6 1 9