住宅常范的錯誤--單向少墻

lylla 2019-02-19

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原作者：JIE構(gòu)生活

單向少墻結(jié)構(gòu)在住宅類建筑中有越來越流行的趨勢，本人在實際工作過程中，接觸到多個單向少墻結(jié)構(gòu)的項目。在超限報告中，單向少墻也常作為一個專項出現(xiàn)。作為一個超限報告中的幾點問題 系列專題，本篇主要闡述單向少墻結(jié)構(gòu)相關(guān)論文的核心觀點。

背景

1、由于通風(fēng)采光的需要，部分住宅類建筑采用剪力墻南北向布置，導(dǎo)致東西向剪力墻偏少，墻肢較短甚至完全退化為端柱，結(jié)構(gòu)兩個方向受力特性出現(xiàn)明顯差異。隨著城市建設(shè)的發(fā)展，一線城市土地越來越稀缺，住宅層數(shù)逐漸增多，建筑高度達到150m~180m，甚至更高，這一因素使單向少墻的問題更加突出。

2、《高規(guī)》7.1.1條，“剪力墻結(jié)構(gòu)平面布置宜簡單、規(guī)則，宜沿兩個主軸方向或其他方向布置，兩個方向的側(cè)向剛度不宜相差過大?？拐鹪O(shè)計時，不應(yīng)采用僅單向有墻的結(jié)構(gòu)布置?！?/p>

3、市場發(fā)展（新趨勢）與規(guī)范規(guī)定（舊經(jīng)驗）之間的矛盾需要得到妥善解決。具體來說，結(jié)構(gòu)工程師需要研究：

1）單向少墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)力的傳遞方式；2）單向少墻結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系的判別方法；3）單向少墻結(jié)構(gòu)抗震措施。

抗側(cè)力傳遞方式

1、一般來說，剪力墻主要承擔(dān)豎向力和面內(nèi)水平剪力。目前常用的設(shè)計軟件考慮了剪力墻面外剛度，但未做面外承載力驗算，常規(guī)雙向均勻布置的剪力墻結(jié)構(gòu)面外受力較小，設(shè)計中不予考慮或按常規(guī)設(shè)計可以包絡(luò)該不利因素，不至影響結(jié)構(gòu)安全。單向少墻結(jié)構(gòu)由于一向布置面內(nèi)剪力墻較少，因此另一向剪力墻的面外作用及效應(yīng)不容忽視，如仍按普通剪力墻結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，少墻方向結(jié)構(gòu)設(shè)計可能存在較大的安全隱患。

2、下圖為某標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖。雖然X向剪力墻偏少，但X向仍具備足夠剛度，層間位移角滿足規(guī)范要求。計算顯示：結(jié)構(gòu)Y向變形符合剪力墻結(jié)構(gòu)的“彎曲型”特征，X向變形基本符合框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的“彎剪型特征”。此類結(jié)構(gòu)的X向抗側(cè)力體系由三部分組成：

1）X向長墻肢；2）短墻肢（含有效翼緣）與樓面梁組成的梁柱框架；3）Y向剪力墻面外與樓板組成的扁柱框架。

通常情況下，X 向數(shù)量眾多的短墻肢框架及剪力墻面外與樓板組成的框架可以彌補X 向長墻剛度的不足。

扁柱框架剪力分擔(dān)率在15%左右（因項目而異），隨樓層升高分擔(dān)率波動不大。梁柱框架剪力分擔(dān)率隨樓層升高逐漸增加；X向剪力墻剪力分擔(dān)率隨樓層升高不斷減??；屬于典型的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)受力特點。

結(jié)構(gòu)體系判別

1、對于單向少墻結(jié)構(gòu)，由于另一向剪力墻較多，設(shè)計單位未經(jīng)仔細判別，就將整個結(jié)構(gòu)按剪力墻結(jié)構(gòu)進行設(shè)計是不妥的。現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件計算時，均已考慮三部分抗側(cè)力體系的剛度，但框架部分的設(shè)計并未明確按框架—剪力墻結(jié)構(gòu)中的框架考慮，且并未驗算扁柱樓板框架的抗側(cè)承載力，這樣的設(shè)計存在一定安全隱患。

2、單向少墻結(jié)構(gòu)一向不符合剪力墻結(jié)構(gòu)的條件，又與一般框架—剪力墻結(jié)構(gòu)不同，存在著梁柱框架、扁柱樓板框架兩種不同框架系統(tǒng)參與X向抗側(cè)作用。因此需要明確X向的的兩種框架尤其是扁柱樓板框架參與抗側(cè)作用的程度。

3、按照剪力比法進行判別時，單向少墻結(jié)構(gòu)的剪力，由三部分組成：

少墻結(jié)構(gòu)的剪力分擔(dān)率一般小于0.9（同時兼顧傾覆彎矩的判別），應(yīng)按照框架剪力墻結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。從抗側(cè)設(shè)計角度考慮，扁柱樓板框架是較弱的抗側(cè)框架，設(shè)計時應(yīng)采取措施限制其承受較大的側(cè)力。

當(dāng)扁柱框架剪力比小于0.05時，可不考慮少墻方向剪力墻和樓板的面外受力，并由剪力墻和梁柱框架承擔(dān)全部水平地震作用；當(dāng)扁柱框架剪力比大于0.05時，應(yīng)考慮剪力墻面外及相應(yīng)樓板的抗側(cè)承載力。當(dāng)扁柱樓板框架的剪力比大于0.1時，建議適當(dāng)增設(shè)剪力墻和加強梁柱框架剛度，使該剪力比適當(dāng)降低，以減弱扁柱樓板框架承擔(dān)的抗側(cè)作用。

為順利進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，需確定梁柱框架和扁柱樓板框架兩種框架中柱的位置及尺寸，具體可參考下圖。Y向墻中部無梁段的寬度可定義為扁柱樓板框架的中扁柱寬度。

按上述方法確定的柱與相應(yīng)梁組成的框架可按照規(guī)范關(guān)于框架—剪力墻結(jié)構(gòu)中的框架的相關(guān)計算方法及規(guī)定進行設(shè)計。Y向墻無梁墻段組成的扁柱樓板框架，其抗側(cè)承載能力的計算包括Y向剪力墻（扁柱）及樓板的抗側(cè)承載力計算兩項內(nèi)容。

抗震措施

從概念上來說，在X向起到框架作用的扁柱樓板框架在Y向是剪力墻，是主要的抗側(cè)力構(gòu)件，因此尚應(yīng)注意避免扁柱樓板框架體系的破壞對另外一向剪力墻造成的不利影響，設(shè)計時宜增設(shè)必要的剪力墻和加強X向梁、柱（含剪力墻端柱）框架的剛度，以控制扁柱樓板框架底層的剪力比在0.1以內(nèi)，同時將剪力墻和梁柱框架設(shè)計成共同承擔(dān)全部地震作用。

此處需要明確的是，抗震措施包括兩類，一類是不用計算的構(gòu)造措施，比如采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)對梁柱框架部分進行設(shè)計，扁柱樓板框架分擔(dān)剪力較低（5%）時，采用適當(dāng)構(gòu)造措施（略加大面外分布筋配筋率）提高其承載力。另一類則需要通過計算，才能提出具有針對性的抗震措施。比如，扁柱樓板框架分擔(dān)剪力較大時（比如超過10%），就屬于這種情況。

1、 剪力墻（扁柱）抗震設(shè)計

多數(shù)情況下，X向短墻肢與Y向長墻作為組合構(gòu)件參與作用，Y向墻體近X向短墻肢端會承擔(dān)較大的面外剪力，而遠離X向短墻肢端剪力會相對較小，即Y向墻面外受力沿墻長并非均勻分布，若Y向墻體面外承載力按整段墻長內(nèi)力均布校核可能會造成局部不安全，嚴格來說應(yīng)該按受力分布進行分段配筋。

綜合考慮剪力墻面外受力分布和常規(guī)設(shè)計習(xí)慣，將Y向墻體面外承載力校核分為X向短墻肢的有效翼緣和一般部位兩個部分。

根據(jù)某項目分析情況，針對有效翼緣，討論如下：小震和中震下“有效翼緣”均未屈服，但大偏心受力所占的比例隨地震作用增大而增大，小震、中震和大震大偏心受力所占的比例分別為45%，65%，80%。大震下約35%的墻體偏心受拉屈服，部分未屈服的有效翼緣計算配筋已經(jīng)達到實際配筋的50%以上。墻體低中高區(qū)樓層均有屈服，外圍墻肢較內(nèi)部墻肢更容易出現(xiàn)偏心受拉屈服。對于單向少墻結(jié)構(gòu)，作為關(guān)鍵構(gòu)件的X向短墻肢框架承擔(dān)了較大比例的地震作用，Y向墻體端部的有效翼緣是關(guān)鍵構(gòu)件的核心組成部分，因此應(yīng)進行加強（規(guī)范在指定約束邊緣構(gòu)件范圍的時候，也有類似考慮），以控制大震抗彎屈服比例。

針對一般部位，小震、中震和大震下Y向墻體一般部位計算配筋均未超過實際豎向分布筋配筋。小震下僅5%的墻肢為大偏心受壓，中震和大震下分別達到30%和75%，高區(qū)樓層大偏心受壓的墻肢較多，外圍墻體和一字墻受力更不利。一般來說，剪力墻豎向分布筋是作為構(gòu)造鋼筋和剪力墻面內(nèi)抗彎鋼筋使用。面外受力計算配筋雖未超過豎向分布筋的構(gòu)造配筋率，但大震下部分墻體配筋計算面積已基本接近構(gòu)造值，而且承載力驗算未考慮面內(nèi)面外雙向壓彎作用，因此宜采取合理措施保證剪力墻面外承載力。考慮到面外受力的影響，宜在規(guī)范規(guī)定的最小分布筋配筋率的基礎(chǔ)上，高區(qū)單側(cè)豎向分布筋配筋率提高0.12%，底部加強區(qū)豎向分布筋單側(cè)提高0.1%，然后提取雙向地震作用組合的內(nèi)力，對墻體面內(nèi)和面外進行雙向壓彎承載力校核。

此外，當(dāng)墻體不長時，Y向墻體面外承載力也可考慮采用墻中間部位設(shè)1m寬暗柱來承擔(dān)。暗柱的配筋根據(jù)計算確定，偏保守地取軸力設(shè)計值為1m范圍內(nèi)墻肢軸力，彎矩設(shè)計值為一般部位墻體全長面外彎矩。在中部設(shè)立暗柱不但保證了墻體面外安全，另一方面由于暗柱基本處于墻肢面內(nèi)抗彎的中和軸位置，與面內(nèi)彎矩耦合作用較小。

2、 樓板抗震設(shè)計

簡化模型為32層，層高3.2m，結(jié)構(gòu)X向剪力墻數(shù)量和長度均遠小于Y向，采用ETABS建立分析模型，剪力墻和樓板采用殼單元，樓板按有限元方式導(dǎo)荷。

下圖給出B1和B2在X向小、中震組合內(nèi)力下的計算配筋與僅豎向荷載下計算配筋的比值（僅對比計算配筋需要面積，排除最小配筋率等構(gòu)造因素）。計算顯示，中下部樓層小、中震下的支座負筋均超過常規(guī)設(shè)計的配筋。以B2板為例，小震下11~21層配筋平均為常規(guī)算法的1.1倍，中震平均為1.55倍。

作為對比，選取約束相對較大的B3北側(cè)支座，取其Y向小震作用下典型樓層板的彎矩代表一般剪力墻樓板受力情況，并與少墻方向的樓板彎矩進行對比。結(jié)果顯示，在地震作用下，常規(guī)剪力墻結(jié)構(gòu)樓板支座彎矩遠小于少墻結(jié)構(gòu)的樓板支座彎矩，平均約為少墻方向的10%.

另外，隨著Y向剪力墻面外剪力分擔(dān)率的增加，結(jié)構(gòu)框架受力特點越來越明顯，突出表現(xiàn)為底部樓層樓板彎矩明顯增加，上部樓層樓板彎矩減小。

上圖給出小、中震作用下，不同Y向墻面外分擔(dān)率（通過調(diào)整墻肢長度實現(xiàn)）對應(yīng)支座負筋相對常規(guī)設(shè)計的放大情況。

按照小震彈性，中震允許屈服的性能目標(biāo)，則小震下配筋放大系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果詳見表7，此時中震約75%板支座受彎屈服。由下表計算結(jié)果可知，B1和B2規(guī)律基本一致，B2略嚴重，高區(qū)可不放大，中低區(qū)平均放大1.1倍左右。中震板支座屈服后，跨中板底鋼筋經(jīng)計算需在構(gòu)造配筋的基礎(chǔ)上放大1.05倍，且全部伸入支座。

若中震允許樓板50%屈服，配筋放大系數(shù)如下表。此時，樓板支座鋼筋明顯增加，高區(qū)需放大1.1倍，中低區(qū)需放大1.4倍左右。

在此部分的抗震措施環(huán)節(jié)，工程師應(yīng)根據(jù)建筑要求、結(jié)構(gòu)平面布置等因素，對剪力墻面外和樓板進行有針對性的分析，以確定相適應(yīng)的抗震措施。