朱正洋

(上海市政交通設(shè)計研究院有限公司，上海 200030)

0 引言

剪力墻在高層建筑結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用，其截面形式一般有矩形、T形、L形以及兩端帶翼緣(或端柱)的復(fù)雜截面等;其截面厚度最小160 mm，最大可達(dá)到1.5 m;其截面高厚比一般大于4(小于4的按柱設(shè)計)，截面長度不宜大于8 m，墻段的高度與長度之比不宜小于3。結(jié)構(gòu)軟件一般對剪力墻采用細(xì)分的殼單元模擬計算，墻肢與墻肢之間、墻與其他桿件之間變形協(xié)調(diào)，其內(nèi)力、位移、地震計算等都可得到理想的結(jié)果。在墻截面配筋設(shè)計環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的配筋采用“分段式配筋方式”，該方法不盡合理，一方面在某些情況下配筋不夠，另一方面在很多情況下又造成配筋過大的不經(jīng)濟(jì)的計算結(jié)果［1］。YJK軟件在總結(jié)該配筋方式的不足之后，于是做了改進(jìn)，增加了剪力墻的自動組合截面配筋計算方法，即墻柱配筋設(shè)計時考慮端柱和翼緣。

然而在剪力墻截面配筋設(shè)計時，還經(jīng)常存在如圖1所示的帶端柱和短翼緣的截面形式。這些截面在配筋時經(jīng)常超筋或者配筋面積過大，導(dǎo)致設(shè)計時難以實現(xiàn)。針對以上情況，分析其原因，并給出解決方案。

圖1 帶端柱和短翼緣的剪力墻截面

1 基本原因分析與解決方案

1.1 一側(cè)帶端柱的剪力墻截面

如圖1a)形式的剪力墻，在墻肢出現(xiàn)偏拉受力時出現(xiàn)配筋過大的情況。該組合剪力墻截面的實際受力情況是一個偏壓構(gòu)件，帶端柱一側(cè)是受壓區(qū)，其截面極限應(yīng)力狀態(tài)如圖2所示。而軟件按墻、柱分別計算，柱是一個偏壓構(gòu)件，墻是一個偏拉構(gòu)件，如圖3所示。按偏拉構(gòu)件計算的剪力墻配筋明顯大于偏壓構(gòu)件的剪力墻配筋。

該截面形式的剪力墻為單軸對稱的截面形式，而且端柱的截面面積明顯大于剪力墻一側(cè)的暗柱面積，應(yīng)該按考慮端柱的非對稱配筋的截面計算?？蓞⒖糐GJ 3—2010第7.2.8條，按T形偏心受壓剪力墻墻肢進(jìn)行正截面受壓承載力計算。方程有As，A's和受壓區(qū)高度x三個未知數(shù)，補(bǔ)充As+A's面積最小的條件，即充分考慮受壓區(qū)混凝土的作用，取x=xbh0代入方程，編制Excel表格計算。

圖2 一側(cè)帶端柱的剪力墻截面端柱側(cè)受壓的極限應(yīng)力狀態(tài)

圖3 程序按墻和柱單獨(dú)計算時應(yīng)力狀態(tài)

1.2 一側(cè)帶短翼緣的剪力墻截面

如圖1c)，圖1e)形式的剪力墻，在短翼緣側(cè)會出現(xiàn)配筋過大而導(dǎo)致縱筋無法排布的情況。該組合剪力墻截面的實際受力情況是一個偏壓構(gòu)件，帶翼緣一側(cè)有位于受拉區(qū)和受壓區(qū)兩種情況，其截面極限應(yīng)力狀態(tài)如圖4所示。

圖4 一側(cè)帶短翼緣的剪力墻截面極限應(yīng)力狀態(tài)

而軟件按縱、橫向一字墻肢分別計算。當(dāng)短翼緣位于受壓區(qū)時，由于軟件按一字墻正截面偏壓承載力計算時鋼筋的合力點(diǎn)位置取在暗柱中心位置，造成鋼筋合力點(diǎn)力臂偏短，配筋偏大。而對于短翼緣一字墻，實際設(shè)計時已經(jīng)合并為一個暗柱，按兩端各有一個暗柱的計算假定已不合適。如果不考慮按組合墻設(shè)計時，可調(diào)整鋼筋合力點(diǎn)到邊緣的距離as，a's，編制Excel表格計算。與計算假定相吻合，在設(shè)計時將該翼緣的縱筋布置在剪力墻的端部，即設(shè)計成單排或雙排等，確定縱筋形心位置。如果考慮調(diào)整as，a's后配筋仍偏大，再按組合墻進(jìn)行配筋，其計算方式同1.1節(jié)當(dāng)短翼緣位于受拉區(qū)時，一字墻按偏拉構(gòu)件計算，配筋值明顯過大而導(dǎo)致縱筋無法排布，此時需考慮按組合墻非對稱配筋進(jìn)行設(shè)計。

1.3 兩側(cè)帶端柱的剪力墻截面

如圖1b)形式的剪力墻，常在框剪結(jié)構(gòu)中應(yīng)用，此種形式的剪力墻通常配筋也會偏大。圖5為框剪結(jié)構(gòu)中一種常見的結(jié)構(gòu)布置，軟件在計算時將墻柱分開計算，一方面端柱與梁相連的一端承受彎矩M1，由于計算單元的局限性，端柱與墻相連的一側(cè)沒有彎矩，導(dǎo)致端柱在沿墻肢方向的彎矩較大，從而出現(xiàn)較大的配筋;另一方面，單獨(dú)計算的墻肢在偏拉狀態(tài)下也會產(chǎn)生較大的配筋。兩者的配筋面積再疊加，導(dǎo)致計算面積偏大。對于此種情況，在計算時可以考慮按兩端帶端柱的組合剪力墻截面進(jìn)行設(shè)計，對稱配筋。組合墻只承受沿墻肢方向的彎矩，其內(nèi)力取兩端柱和墻肢的合力。

剪力墻內(nèi)力組合，其計算原理如下:

式中:N1，N2，…，Nn——墻肢 1，2，…，n 的軸力;

M1，M2，…，Mn——墻肢 1，2，…，n 的平面內(nèi)的彎矩;

x1，x2，…，xn——墻肢 1，2，…，n 至組合墻形心的距離。

圖5 剪力墻兩側(cè)端柱與梁相連

1.4 兩側(cè)帶短翼緣的剪力墻截面

如圖1d)，圖1f)形式的剪力墻，其配筋偏大的原因和解決方案與1.2的情況基本一致，只是在配筋計算時可按照對稱配筋計算。

2 算例

2.1 兩側(cè)帶端柱的剪力墻截面

截面簡圖如圖5所示，DZ1和DZ2為800 mm×800 mm的柱，Q1截面尺寸為b×h=400 mm×8 400 mm，混凝土強(qiáng)度C50，鋼筋等級HPB400，豎向分布筋配筋率為0.6%，抗震等級為二級，為底部加強(qiáng)區(qū)墻柱。

2.2 兩側(cè)帶短翼緣的剪力墻截面

上翼緣，b'f×h'f=200 mm ×600 mm;下翼緣，b'f×h'f=200 mm×600 mm;腹板墻肢厚b=200 mm，墻肢高h(yuǎn)=4 400 mm。按程序(分段式)配筋時，上翼緣內(nèi)力 N1=784 kN(－)，M1=110 kN·m;中間腹板內(nèi)力N1=2 000 kN(+)，M1=8 000 kN·m。因為短翼緣的墻肢較短，其內(nèi)力忽略不計，計算組合墻內(nèi)力時取腹板內(nèi)力。實際配筋如圖6所示。

圖6 兩端帶短翼緣截面簡圖和實際配筋詳圖

表1 兩種配筋方式配筋面積比較

表2 剪力墻考慮翼緣時的配筋面積 mm2

從表1，表2和圖6可以看出，按本文提出的方法可以減少文中所提到的幾種剪力墻的配筋。文中所提方法簡單、易行，可以在設(shè)計中使用。

3 結(jié)語

對一些特殊的剪力墻結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的“分段式配筋方式”在設(shè)計過程中有時會造成不合理，不經(jīng)濟(jì)的情況。當(dāng)計算結(jié)果出現(xiàn)異常時，設(shè)計人員要進(jìn)行科學(xué)分析，合理判斷，找出原因，并運(yùn)用專業(yè)知識給出合理的解決方案。本文所論述的問題和方法可為同類設(shè)計問題提供參考。