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探析解决剪力墙结构在软件教学应用中出现的若干问题

2023-06-27 72 上传者：管理员

摘要：通过应用PKPM软件对剪力墙结构进行结构建模、参数设置、内力位移计算，再结合相应规范对一些较难理解的知识点深入分析，加强学生熟练应用结构设计软件的同时，更注重培养他们具备发现问题、分析问题、解决问题的能力。

关键词：
PKPM软件
剪力墙结构
结构设计
软件教学
高耸结构设计
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1、PKPM软件介绍

PKPM是三维空间设计软件，从20世纪90年代至今不断积累、不断完善，可以有效协助结构工程师完成框架结构、剪力墙结构、筒体结构等体系的建模运算，大大减少了计算的工作量有效提高了设计行业的效率。在分析处理模型过程中，能够真实地反应实体建筑物的受力及变性特征，得到了行业人员广泛的认可。包括结构设计、烟囱设计、高耸结构设计、无梁楼盖设计、异性板楼板设计、楼梯设计、基础设计、大跨度设计等模块[1],满足设计领域的各个方面。软件与JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》、GB 50011-2010 (2016年版)《建筑抗震设计规范》、GB 50010-2010(2015年版)《混凝土结构设计规范2012》、GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》紧密结合，在学习过程中，不仅熟悉了软件的操作及应用，而且也加深了对专业课程的巩固和掌握。

2、剪力墙结构

剪力墙也成为抗震墙，由实心钢筋混凝土组成。剪力墙结构是指由钢筋混凝土承受水平力与竖向力，不考虑内部框架梁与连梁的贡献。框架梁是指两端与剪力墙平面内连接，且梁的计算跨度与截面高度之比大于5,以单跨为主，主要内力特征剪力较小、弯矩较大；连梁是指两端与剪力墙平面内连接，且梁的计算跨度与截面高度之比小于5,均为单跨梁，主要内力特征剪力较大、弯矩较小。剪力墙墙体竖向楼面活荷载进行折减参照规范[2]。

2.1长肢剪力墙、短肢剪力墙判断

长肢剪力墙是指肢长与肢厚之比大于8,也成为普通剪力墙或剪力墙，在工程设计过程中应用较多，受力与变形特征较好；短肢剪力墙是指肢长与肢厚之比大于5且小于8,延性耗能较差，应用范围受限。剪力墙结构中可以适当布置少量短肢墙，但短肢墙部分承担的底部地震倾覆力矩不宜大于50%,为了工程的安全及经济效果，同时结合大量工程经验参考，一般控制在30%以内；同样短肢剪力墙结构也容许长肢剪力墙的出现，较多的短肢剪力墙结构是指承担底部地震倾覆力矩大于30%且小于50%。长肢剪力墙、短肢剪力墙与长肢剪力墙结构、短肢剪力墙结构区别，前者是构件或单体，后者是结构体系属于整体，这点学生有时理解会出现错误。

2.2剪力墙截面形式

剪力墙截面包括一字形、L形、T形、十字形等，考虑到剪力墙在平面内、平面外刚度的悬殊差异，一般常用的截面L形和T形。由于剪力墙结构布置不如框架结构灵活，有时会影响到建筑功能，在设计过程中尽量避免墙肢太长。剪力墙布置的间距不宜太大，在2个主轴都应设置，尽量在不影响使用状态下，使墙肢均在同一水平线上，这样有利于整体刚度变大，侧向位移减小，降低整体房屋的造价。

2.3剪力墙结构的最大适用高度

剪力墙结构的最大适用高度与设防烈度、风荷载、风向、层高等因素有关，一般6(0.05g)、7(0.10g、0.15g)、8(0.20g、0.30g)、9(0.40g)度设防区，可以达到的经济适用高度分别为140 m、120 m、100 m(0.30g为80 m)、60 m,设防烈度区越大地震作用越显著，房屋适用高度就随之越低。剪力墙结构整体刚度远大于框架结构，在高层住宅领域得到了广泛的使用。刚度与构件尺寸及混凝土标号有关，混凝土标号越大弹性模量越大[3]。

3、如何解决设计中出现的问题

剪力墙结构较框架结构理解起来难度会增大，概念多且抽象，计算公式复杂，这也导致学生在学习理论知识与PKPM软件时困惑较多，下面针对教学过程中不容易理解的概念进行分析。

3.1如何选择剪力墙厚度、截面形式

一、二级剪力墙底部加强部位不应小于200 mm,其他部位不应小于160 mm;三、四级剪力墙不应小于160 mm[4]。高贵规定。抗震墙的厚度，一、二级不应小于160 mm且不宜小于层高或无支长度的1/20,三、四级不应小于140 mm[5]。在工程上一般剪力墙厚度选择250 mm、200 mm居多，层数较多的建筑物可能下部分位置需要300 mm。考虑到填充墙厚度与梁宽相同，剪力墙厚度过小梁中纵向受力钢筋布置比较困难，因此承重墙体厚度不宜太小。实际工程中如果剪力墙间距不大，梁跨度较小，剪力墙厚度可以适当降低。剪力墙截面形式有L形、T形，一字形和十字形，为了最大程度发挥剪力墙的刚度与强度及经济效果，截面形式通常采用L形、T形，一字形和十字形剪力墙在工程上使用较少。L形、T形不是满足形状要求即可，而是2个方向长厚比分别大于8与3,不满足判定的标准则属于一字形剪力墙，稳定性相对较差，须改变长厚比使其满足判定要求。剪力墙在同一位置从下至上长度不改变，厚度与混凝土标号可以依次减小，考虑到作用力的减小以及经济效果，下部墙肢满足长肢墙构造要求即可，否则不仅增加浪费，还可能造成局部刚度不均匀。

3.2部分框支剪力墙结构

由于为了满足建筑功能的需要，底部需要较大空间，将底部若干片剪力墙删除，采用框支柱KZZ代替，称之为部分框支剪力墙结构。该结构属于复杂建筑物，在设计过程中通过结构措施来改善底部的刚度，如控制落地剪力墙的间距、适当增加落地剪力墙的厚度与混凝土等级、加强转化层楼板厚度及配筋率等。该建筑物多用在底部是商场、酒店，上部为普通住宅楼，从上世纪90年代至今，得到了广泛地应用，我国在这方面也积累了大量的经验。一般在工程上转化层的楼层数越少越好，尤其在地震设防烈度较高的区域应严格控制。但随着减震隔震技术的成熟应用，大大降低了地震作用，部分框支剪力墙结构通过采用该技术可以适当增加转化层数或在高烈度区域使用。

3.3底部加强度区高度的判定

底部加强部位的高度，应从地下室顶板算起；底部加强部位的高度可取底部2层和墙体总高度1/10的两者的较大值。底部加强部位的设置，主要考虑到底部受力较大及推迟塑性铰出现的时间，在具体设计过程中应将约束边缘构件向上延伸一层。在结构模型中，该部分的墙厚度或配筋率高于相邻层。

3.4约束边缘构件与构造边缘构件判定

一级剪力墙底层墙肢底截面的轴压比大于0.1(9度设防)、0.2(6、7、8度设防),二、三级剪力墙底层墙肢底截面的轴压比0.3时，应在底部加强部位及相邻的上一层设置约束边缘构件；其它部位设置构造边缘构件。轴压比未超出相应的规定，任何部位设置构造边缘构件即可。剪力墙的约束边缘构件可为暗柱、端柱和翼墙，约束边缘构件沿墙肢的长度、箍筋配箍特征值、体积配箍率，应符合县官计算和构造规要求，具体参照JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》表7.2.15、GB 50011-2010(2016年版)《建筑抗震设计规范》表6.4.5-3。轴压比计算过程中注意仅仅考虑竖向力作用下，即重力荷载代表值作用下不包括水平地震作用，这一点学生在理解的时候会有些困惑。在确定约束边缘构件或构造便于构件时，学生常常会混淆，因此熟悉规范至关重要。

3.5连梁出现超筋如何解决

连梁刚度大、剪力较大且弯矩较小，为了实现延性破坏，通过强剪弱弯来改善其脆性特征。在设计中分为2种方式形成连梁：一是在剪力墙上开设洞口形成，二是在两端墙上直接布置连梁，前者刚度较大。在设计中抗剪不满足要求时一般通过以下方式进行解决：在满足整体刚度的情况下适当减小连梁截面高度，增加跨高比降低刚度，从而减小其分担的剪力；当连梁破坏对承受竖向荷载无明显影响时，可按独立墙肢进行第二次多遇地震作用下的内力分析，墙肢截面应按两次计算的较大值计算配筋[4];适当减小连梁的弯矩塑性调幅系数；条件允许的话可以适当增加连梁混凝土比标号；设置双层连梁即宽度不变，将原高度分成2段高度分别进行布置。连梁在地震作用下会先于剪力墙发生破坏，消耗地震能量，从而减小剪力墙发生的概率或降低其破坏带来的危害。

3.6墙身水平和竖向钢筋的选择

墙身水平和竖向钢筋分别承受剪力与弯矩的作用，由于剪力墙本身的刚度和承载力较大，其内部钢筋除了满足基本的承受外力作用，还有改善其延性的效果。水平和竖向分布钢筋的间距均不宜大于300 mm,直径不应小于ϕ8 mm且不宜大于墙厚的1/10,一、二、三级时均不应小于0.25%[5]。例如抗震等级二级，250 mm厚的剪力墙，水平和竖向钢筋要满足PKPM计算和构造两者的较大值。计算结果墙身水平钢筋H1.1,表示水平2根钢筋面积和为110 mm2,直径初步选定2根ϕ8 mm钢筋；对构造计算进行验算分析，取水平钢筋直径ϕ8 mm,钢筋面积50.3 mm2,面积为100.6 mm2;钢筋间距200 mm,墙厚度250 mm ,面积50 000 mm2,结果为0.2012%,不满足0.25%的要求，故最终确定钢筋为ϕ10 mm,要同时满足计算和构造2个要求，可以通过继续减小钢筋间距或增加直径来处理。水平钢筋放在外边，竖向钢筋放在内侧。剪力墙墙身水平和竖向钢筋结合计算和构造进行配置，在大多数工程计算结果的分析中可以发现，计算结果较大一般发生在底部几层或墙厚度发生改变时，由于竖向重力荷载代表值从下至上依次减小，对于其它层一般计算值与构造比较接近。

3.7剪力墙结构位移

剪力墙结构同其它结构体系一样，随房屋高度越高顶部水平位移越大，位移控制仍是设计中最主要的一部分，框架结构通过改变框架柱、框架梁截面尺寸来处理位移的问题。剪力墙结构在处理位移角较大时需要从以下几方面进行：位移角超出规范限值1/1000[4],但比较接近时可以通过改变连梁、框架梁截面高度最有效，不宜将墙肢加长；位移角超出规范限值较多时，整体结构刚度偏小，宜加长短边边缘方向墙肢长度，从外向内依次改变。剪力墙结构位移角最大发生在四周短边方向，大多数工程一般控制在1/1100～1/1050左右。

4、结束语

首先，在学习过程中认真阅读JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》、GB 50011-2010(2016年版)《建筑抗震设计规范》,对结构概念要清晰，掌握基本的构造要求；其次，熟悉建筑图纸，学会剪力墙的布置原则，特别是2个主轴方向的刚度尽量接近，避免刚度相差较大引起扭转[5];最后，对于框架梁、连梁出现问题要清楚判断其原因，找出最有效的方法进行解决。

参考文献：

[1] 张宇鑫,刘海成,张星源.PKPM结构设计应用[M].2版.上海:同济大学出版社,2010.

[2] 中华人民社共和国国家标准建筑结构荷载规范:GB 5009-2012[S].中国建筑工业出版社

[3] 中华人民社共和国国家标准.混凝土结构设计规范:GB50011-2010[S].北京:中国建筑工业出版社.

[4] 中华人民社共和国国家标准.高层建筑混凝结构技术规程:JGJ3-2010[S].北京:中国建筑工业出版社.

[5] 中华人民社共和国国家标准.建筑抗震设计规范: GB50011-2010[S].北京:中国建筑工业出版社.

文章来源：郭培成.浅谈解决剪力墙结构在软件教学应用中出现的若干问题[J].四川建筑,2023,43(03):316-317+320.