近年来, 高层住宅建筑发展迅速, 同时人们对住宅空间与平面等也提出更高要求。传统框架结构中普通剪力墙结构和露柱露梁结构限制了建筑空间, 难以满足住宅用户对建筑空间提出的新要求。短肢剪力墙结构在经过一系列改良后, 应用在高层住宅建筑设计中, 能有效规避传统框架的不足, 具有重要的应用价值。因此, 有必要对高层住宅建筑中的短肢剪力墙结构体系进行深入探究。

按照JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》的相关规定, 短肢剪力墙指的是墙肢截面厚度在300mm及以下, 长度与厚度比值在4～8的剪力墙。同时, 规定构件截面长度小于厚度4倍时, 需依据柱的相关要求进行设计, 也就是长厚比在4～5时, 应依据短肢剪力墙进行设计。若剪力墙短肢截面高度与厚度之比≥8时就是一般剪力墙。在高层建筑设计过程中, 其结构不能都应用短肢剪力墙体系, 若使用比较多的短肢剪力墙, 就需布置筒体, 在筒体和短肢剪力墙共同形成剪力墙结构的基础上, 抵抗建筑物受到的水平荷载。

短肢剪力墙结构体系在实际设计与应用中具有以下特点:譹) 布置竖向结构过程中, 需对建筑的隔墙位置及平面等进行综合考虑, 结合相关参数实现结构设计, 保证建筑更好地实现其使用功能。譺) 布置墙肢肢长和数量时, 要对结构进行整体计算, 通过调整, 使剪力墙承担的底部倾覆力矩比例、结构的层间位移等指标满足规范要求。依据具体要求和实际情况, 合理调整结构整体刚度, 必要情况下还可适当调整刚度中心位置。譻) 结构布置期间, 建筑不会对该结构体系产生限制影响, 促使结构设计方案更符合住宅用户需求, 并能更好地处理楼面设计和楼盖支撑。譼) 通过轻质砌体填充剪力墙之间存在的间隔墙, 使建筑结构自重有效降低, 施工更加方便, 并使结构性能更具合理性, 还有助于降低造价成本, 节约材料消耗, 提升建筑整体经济性。

在高层住宅建筑中采用短肢剪力墙结构体系进行设计时, 首先需对结构进行合理布置。所使用的短肢剪力墙数量需合理, 所有短肢墙的分布需尽可能均匀, 尽量减少轴向应力彼此的差距。如果建筑平面凹凸、所处位置风力较大或有抗震要求, 需将短肢墙布置在平面角点位置及外边缘, 尤其要布置在外凸部位。所有短肢墙需尽可能拉直、对齐, 使其同连梁共同形成连续多跨且比较规整的抗侧力片, 若无法完全对其连接, 可允许部分短肢墙相互错开。所有短肢墙都要和两方向对应梁相互连接, 并且最好在墙肢竖平面中布置梁结构, 通常要求连梁宽度等于墙肢厚度。墙肢厚度要适中, 最好与隔墙表面持平, 通常选择300, 250, 200mm。对于异形柱或较长的墙, 可在局部位置进行混合布置。对于抗震设计, 一般剪力墙及筒体所承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于其底部地震倾覆力矩的1/2。

抗震设计为0.3g的8度, 0.2g的8度和7度, 短肢剪力墙结构的最大高度分别是60, 80, 100m。若高层建筑属于9度抗震设计, 并且其高度是A级或B级, 就要进行筒体设计, 不适合设计短肢剪力墙。

若剪力墙需承受较大的轴压力, 在设计中要对轴压比进行限制。为改善剪力墙延性, 当建筑抗震等级分别是三级、二级和一级时, 短肢剪力墙受到重力荷载作用之后其对应轴压比分别不应该超过0.55、0.50和0.45, 若短肢剪力墙属于端柱或没有翼缘的一字形, 其本身延性就比较差, 所以对应轴压比限制需要减少0.1。

短肢剪力墙若肢厚比相对较小, 则墙肢就不具备较大强度储备;肢厚比越大, 墙肢的强度储备越充足, 同时安全性也会越好, 但此时难以充分发挥其材料特性, 经济性会有所降低。为确保结构具有良好的综合性能, 其肢厚比应保持在6.0～7.0, 此时结构能量储备比较充足, 更能全面地发挥材料性能。

通过计算机软件对短肢剪力墙结构进行设计时需结合实际情况, 应用软件对简化模型和相关参数进行合理调整, 使计算模型最大程度接近实际模型。设计人员在工作中要对各参数所代表的实际意义进行充分了解和掌握, 对具体参数进行合理化设计。若短肢墙具有比较大的整体性系数, 需最大程度地降低肢墙系数, 促使相关结构在受到水平反复荷载作用时, 依旧具有较强的耗能能力。

图1为某栋高层住宅建筑典型结构平面, 该建筑有31层, 总高度在100m左右, 每层有8户。此建筑设计当中, 除了核心筒, 其他所有结构均布置为T形剪力墙和短肢L形剪力墙, 基本上都有墙体对其拉直, 并且将短肢墙设置在外凸尽端, 将外露连梁设置在内凹的采光廊外部位置, 使平面整体满足刚性要求。该建筑为肋形楼盖, 采用的双向楼板和单向楼板对应跨度都较小。此建筑以7度进行抗震设防, 基本风压0.5kN/m²。

在高层住宅建筑中合理应用短肢剪力墙结构, 可使该结构与建筑平面相结合, 通过间隔墙位置对竖向构件加以布置, 不会和建筑使用功能产生冲突。同时, 梁在与各短肢墙连接时, 会根据墙肢位置进行布置, 并在隔墙竖向平面中具有隐蔽性, 有效解决了一般框架结构中梁柱凸出墙面的问题。采用短肢剪力墙结构进行高层住宅建筑设计, 能有效扩大建筑使用面积, 降低建筑自重, 工程基础费用会有效减少, 具有突出的经济性, 对促进建筑行业健康发展具有重要作用。将短肢剪力墙结构合理应用在高层住宅建筑中, 虽然结构成本有所增加, 但用户获得了更大的住宅结构空间, 并可对空间进行灵活划分, 房屋品质获得显著提升。这种结构体系目前在京、沪、深、穗等地广受青睐, 例如北京地区的奥林匹克花园和“龙泽苑”小区、上海地区的金桥爱建园、碧林湾、英麒苑及天江格调空间、深圳地区的山湖居、翡翠园与重庆的回龙湾等, 都对短肢剪力墙结构实现有效应用, 使建筑空间更大, 便于住户按照自己的需求和创意, 灵活、自由地进行间隔。

高层住宅建筑在设计期间, 通过合理应用短肢剪力墙结构体系, 增强了建筑结构的灵活性, 并在优化调整建筑之后, 切实提升了建筑整体的抗震和承载能力, 应用优势突出。为充分发挥该建筑结构体系的优势, 工程设计人员需充分了解短肢剪力墙结构体系的内涵和特点, 掌握该结构设计要点, 科学、合理地应用在高层住宅建筑中, 使建筑兼具经济性和安全性, 并有效提升建筑品质。