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摘要：文章结合一具体小高层住宅，将短肢剪力墙结构与框架-剪力墙结构的抗震性能进行对比，并进行结构在罕遇地震作用下的静力弹塑性分析，评价其抗震性能。
关键词：短肢剪力墙；结构设计；抗震性能
1 结构的判别与布置
文献[1]定义短肢剪力墙为墙肢截面高度与厚度之比为5～8的剪力墙。墙肢截面高厚比介于异型框架柱与一般剪力墙之间，仍属于剪力墙结构体系。文献[2]对短肢剪力墙的定义及判别方法提出了一些不同的意见。
相对一般剪力墙而言，短肢剪力墙的承载能力、抗侧刚度均较小。由于短肢剪力墙常常为联肢墙，在水平地震力作用下，一部分墙肢处于压、弯、剪，另一部分墙肢处于拉、弯、剪的复杂应力状态，易形成脆性剪切破坏，所以延性较差。文献[1]明确指出不应设计仅有短肢剪力墙的高层建筑，一般是利用建筑电梯井或楼梯间等位置布置一般剪力墙(或筒体)，形成短肢剪力墙与一般剪力墙共同受力的结构体系。如果楼层大面积连续布置短肢剪力墙而一般剪力墙布置不足时，可能出现当一般剪力墙破坏后，短肢墙没有足够的延性和承载力，会很快随之破坏从而导致整个结构失效。所以在结构抗震设计时，一般剪力墙(或筒体)承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构底部总地震倾覆力矩的50％ 。
剪力墙结构仅能承受平面内作用力，平面外承载能力忽略不计，对于短肢剪力墙结构亦是如此。因此，其应双向布置，形成翼缘墙肢与腹板墙肢共同受力的结构。根据试验可知：有翼缘墙的短肢剪力墙延性系数比无翼缘墙大很多，说明有翼缘的短肢剪力墙在水平地震力作用至破坏时，其耗能能力较无翼缘短肢剪力墙好。因此，高层建筑中宜避免采用“━”形短肢墙，应布置为“┣”、“┏”和“╋”等形式。
2 结构的抗震性能比较与分析
2．1 结构概况
某点式小高层住宅，主体结构为地上11层，层高2．9 m；半地下室，层高3．0 m。室外地面至屋面檐口高度33．7 m。本工程抗震设防类别为丙类，设计使用年限50年，抗震设防烈度为7°，设计基本地震加速度值为0．10g，第一组。建筑结构的阻尼比取0.05，场地类别为Ⅱ类，场地土特征周期 Tg=0.35S。地面粗糙度為B类，基本风压0.35kN／m2 ，基本雪压0.6kN／m2。各构件混凝土强度等级均为C30，墙厚均为200mm。梁、墙、柱受力筋采用Ⅱ级钢，箍筋均为Ⅰ级钢，其余设计参数均按相关规范取值。结构布置方案一：采用框架-剪力墙结构体系。按照文献[1]要求，在建筑周边部分外墙处、楼梯间、电梯间等部位布置一般剪力墙，其余相应部位布置框架柱(含部分异形柱)。框架抗震等级为三级，剪力墙抗震等级为二级。
结构布置方案二：采用短肢剪力墙结构体系。按照文献[1]要求，在建筑周边部分外墙处、楼梯间、电梯间等部位布置一般剪力墙，其余相应部位布置短肢墙，形成短肢剪力墙与一般剪力墙(筒体)共同抵抗水平力的结构体系。剪力墙抗震等级为三级，短肢墙抗震等级提高一级采用。
2.2 结构计算
采用结构空间有限元分析设计软件SATWE进行结构内力、周期及地震力等分析计算，见表l所列。
由表1可见，结构扭转为主的第一周期T3与平动为主的第一周期T1之比，结构布置方案一为0.790，方案二为0.770，均小于文献[1]要求的0.9。说明这两种结构布置方案均具有足够的抗扭刚度，方案二抗扭转能力略强。此外，两种方案的结构自振周期均在合理范围内，方案二短肢剪力墙的周期小于方案一框架-剪力墙的周期，说明方案二结构的侧向刚度大于方案一，其抵抗侧向地震力的能力高于方案一。结构楼层一位移曲线，如图1所示。
由图1可以看出，除了出屋面电梯机房，短肢剪力墙结构以整体弯曲变形为主，但曲率较一般剪力墙结构小。框架-剪力墙结构以弯剪变形为主。由于方案二的结构侧向刚度大于方案一，故其顶部位移较小。结构相关计算结果，见表2所列。
方案一中，在第一振型作用下一般剪力墙承受的倾覆力矩占结构总倾覆力矩的百分比：X方向为69.4O％ 、Y方向为76.46％ ，均大于5O％ ，说明一般剪力墙数量满足。方案二中，短肢墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩的百分比：X方向为45.41％ 、Y方向为46.79％ ，均小于50％，说明一般剪力墙数量满足。
由表2可见，这两种方案的结构布置及各项计算结果满足文献[1，4]要求，均满足第一阶段在多遇地震作用下的承载力验算和弹性变形计算，即“小震不坏”和“中震可修”。
2．3 弹塑性分析
结构弹塑性分析一般有弹塑性时程分析和静力弹塑性分析。弹塑性时程分析相当于用真实的地震波变化情况来考察结构的地震响应及弹塑性性能。其对地震波的选取十分重要，相同结构在不同地震波作用下反应差别极大，如何找到适合具体结构及场地特征的地震波比较困难。因此，现阶段一般仍采用静力弹塑性分析方法[5]。
本工程两种结构布置方案均采用中国建筑科学研究院的弹塑性静、动力分析软件EPDA／PUSH进行罕遇地震作用下的结构静力弹塑性分析，其两种方案的需求曲线及能力曲线，如图2所示。
从图2可看出，框架剪力墙结构在层间位移角超过[θp]=1/100和短肢剪力墙结构在层间位移角超过[θp]=1/120之前，结构反应曲线均穿过了amax=0.9的反应谱曲线，说明结构均能够满足8°(O.2g)罕遇地震作用下的抗倒塌验算，即均满足第二阶段弹塑性变形验算，可以达到“大震不倒”的要求。图2a中，能力曲线与需求谱曲线的交点坐标为(1.474，0.205)，当达到性能点状态时，根据计算得到结构的基底剪力V=7140 kN，顶点位移D=155 mm。图2b中，能力曲线与需求谱曲线的交点坐标为(1.275，0.230)，当达到性能点状态时，根据计算得到结构的基底剪力V=8166 kN，顶点位移D=133.5 mm。达到性能点状态时，方案二可承受的水平荷载较大，顶点位移较小。
荷载因子一顶点位移曲线，如图3所示(荷载因子1～2相当于水平荷载O～46355 kN)。由图3可见，在结构破坏失效之前，该短肢剪力墙结构的曲线始终在框架-剪力墙结构曲线的上方，说明在受到相同侧向荷载作用时，方案二的顶点位移小于方案一。性能点状态X向层间位移角曲线，如图4所示。由图4可见，结构在性能点状态时，短肢剪力墙结构比框架～剪力墙结构层间位移角小。综合以上可知，方案二抵抗水平荷载的能力高于方案一，即当结构受到罕遇地震作用时，该工程采用的短肢剪力墙结构抗震性能优于框架一剪力墙结构。
3 结束语
(1)短肢剪力墙结构抗侧刚度大于框架-剪力墙结构，抵抗地震的能力较强[6][7]。
(2)短肢剪力墙结构以整体弯曲变形为主，但是曲率较小，沿高度变形较为均匀。
(3)在罕遇地震作用下，当达到性能点状态时，短肢剪力墙结构可承受的侧向荷载较大，顶点位移及层间位移角较小。
短肢剪力墙结构的计算模型、配筋、构造等要求基本同一般剪力墙，但要求有所提高。对此，文献[1]已经有了较为详细的规定。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：短肢剪力墙；结构设计；抗震性能
1 结构的判别与布置
文献[1]定义短肢剪力墙为墙肢截面高度与厚度之比为5～8的剪力墙。墙肢截面高厚比介于异型框架柱与一般剪力墙之间，仍属于剪力墙结构体系。文献[2]对短肢剪力墙的定义及判别方法提出了一些不同的意见。
相对一般剪力墙而言，短肢剪力墙的承载能力、抗侧刚度均较小。由于短肢剪力墙常常为联肢墙，在水平地震力作用下，一部分墙肢处于压、弯、剪，另一部分墙肢处于拉、弯、剪的复杂应力状态，易形成脆性剪切破坏，所以延性较差。文献[1]明确指出不应设计仅有短肢剪力墙的高层建筑，一般是利用建筑电梯井或楼梯间等位置布置一般剪力墙(或筒体)，形成短肢剪力墙与一般剪力墙共同受力的结构体系。如果楼层大面积连续布置短肢剪力墙而一般剪力墙布置不足时，可能出现当一般剪力墙破坏后，短肢墙没有足够的延性和承载力，会很快随之破坏从而导致整个结构失效。所以在结构抗震设计时，一般剪力墙(或筒体)承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构底部总地震倾覆力矩的50％ 。
剪力墙结构仅能承受平面内作用力，平面外承载能力忽略不计，对于短肢剪力墙结构亦是如此。因此，其应双向布置，形成翼缘墙肢与腹板墙肢共同受力的结构。根据试验可知：有翼缘墙的短肢剪力墙延性系数比无翼缘墙大很多，说明有翼缘的短肢剪力墙在水平地震力作用至破坏时，其耗能能力较无翼缘短肢剪力墙好。因此，高层建筑中宜避免采用“━”形短肢墙，应布置为“┣”、“┏”和“╋”等形式。
2 结构的抗震性能比较与分析
2．1 结构概况
某点式小高层住宅，主体结构为地上11层，层高2．9 m；半地下室，层高3．0 m。室外地面至屋面檐口高度33．7 m。本工程抗震设防类别为丙类，设计使用年限50年，抗震设防烈度为7°，设计基本地震加速度值为0．10g，第一组。建筑结构的阻尼比取0.05，场地类别为Ⅱ类，场地土特征周期 Tg=0.35S。地面粗糙度為B类，基本风压0.35kN／m2 ，基本雪压0.6kN／m2。各构件混凝土强度等级均为C30，墙厚均为200mm。梁、墙、柱受力筋采用Ⅱ级钢，箍筋均为Ⅰ级钢，其余设计参数均按相关规范取值。结构布置方案一：采用框架-剪力墙结构体系。按照文献[1]要求，在建筑周边部分外墙处、楼梯间、电梯间等部位布置一般剪力墙，其余相应部位布置框架柱(含部分异形柱)。框架抗震等级为三级，剪力墙抗震等级为二级。
结构布置方案二：采用短肢剪力墙结构体系。按照文献[1]要求，在建筑周边部分外墙处、楼梯间、电梯间等部位布置一般剪力墙，其余相应部位布置短肢墙，形成短肢剪力墙与一般剪力墙(筒体)共同抵抗水平力的结构体系。剪力墙抗震等级为三级，短肢墙抗震等级提高一级采用。
2.2 结构计算
采用结构空间有限元分析设计软件SATWE进行结构内力、周期及地震力等分析计算，见表l所列。
由表1可见，结构扭转为主的第一周期T3与平动为主的第一周期T1之比，结构布置方案一为0.790，方案二为0.770，均小于文献[1]要求的0.9。说明这两种结构布置方案均具有足够的抗扭刚度，方案二抗扭转能力略强。此外，两种方案的结构自振周期均在合理范围内，方案二短肢剪力墙的周期小于方案一框架-剪力墙的周期，说明方案二结构的侧向刚度大于方案一，其抵抗侧向地震力的能力高于方案一。结构楼层一位移曲线，如图1所示。
由图1可以看出，除了出屋面电梯机房，短肢剪力墙结构以整体弯曲变形为主，但曲率较一般剪力墙结构小。框架-剪力墙结构以弯剪变形为主。由于方案二的结构侧向刚度大于方案一，故其顶部位移较小。结构相关计算结果，见表2所列。
方案一中，在第一振型作用下一般剪力墙承受的倾覆力矩占结构总倾覆力矩的百分比：X方向为69.4O％ 、Y方向为76.46％ ，均大于5O％ ，说明一般剪力墙数量满足。方案二中，短肢墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩的百分比：X方向为45.41％ 、Y方向为46.79％ ，均小于50％，说明一般剪力墙数量满足。
由表2可见，这两种方案的结构布置及各项计算结果满足文献[1，4]要求，均满足第一阶段在多遇地震作用下的承载力验算和弹性变形计算，即“小震不坏”和“中震可修”。
2．3 弹塑性分析
结构弹塑性分析一般有弹塑性时程分析和静力弹塑性分析。弹塑性时程分析相当于用真实的地震波变化情况来考察结构的地震响应及弹塑性性能。其对地震波的选取十分重要，相同结构在不同地震波作用下反应差别极大，如何找到适合具体结构及场地特征的地震波比较困难。因此，现阶段一般仍采用静力弹塑性分析方法[5]。
本工程两种结构布置方案均采用中国建筑科学研究院的弹塑性静、动力分析软件EPDA／PUSH进行罕遇地震作用下的结构静力弹塑性分析，其两种方案的需求曲线及能力曲线，如图2所示。
从图2可看出，框架剪力墙结构在层间位移角超过[θp]=1/100和短肢剪力墙结构在层间位移角超过[θp]=1/120之前，结构反应曲线均穿过了amax=0.9的反应谱曲线，说明结构均能够满足8°(O.2g)罕遇地震作用下的抗倒塌验算，即均满足第二阶段弹塑性变形验算，可以达到“大震不倒”的要求。图2a中，能力曲线与需求谱曲线的交点坐标为(1.474，0.205)，当达到性能点状态时，根据计算得到结构的基底剪力V=7140 kN，顶点位移D=155 mm。图2b中，能力曲线与需求谱曲线的交点坐标为(1.275，0.230)，当达到性能点状态时，根据计算得到结构的基底剪力V=8166 kN，顶点位移D=133.5 mm。达到性能点状态时，方案二可承受的水平荷载较大，顶点位移较小。
荷载因子一顶点位移曲线，如图3所示(荷载因子1～2相当于水平荷载O～46355 kN)。由图3可见，在结构破坏失效之前，该短肢剪力墙结构的曲线始终在框架-剪力墙结构曲线的上方，说明在受到相同侧向荷载作用时，方案二的顶点位移小于方案一。性能点状态X向层间位移角曲线，如图4所示。由图4可见，结构在性能点状态时，短肢剪力墙结构比框架～剪力墙结构层间位移角小。综合以上可知，方案二抵抗水平荷载的能力高于方案一，即当结构受到罕遇地震作用时，该工程采用的短肢剪力墙结构抗震性能优于框架一剪力墙结构。
3 结束语
(1)短肢剪力墙结构抗侧刚度大于框架-剪力墙结构，抵抗地震的能力较强[6][7]。
(2)短肢剪力墙结构以整体弯曲变形为主，但是曲率较小，沿高度变形较为均匀。
(3)在罕遇地震作用下，当达到性能点状态时，短肢剪力墙结构可承受的侧向荷载较大，顶点位移及层间位移角较小。
短肢剪力墙结构的计算模型、配筋、构造等要求基本同一般剪力墙，但要求有所提高。对此，文献[1]已经有了较为详细的规定。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。