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引言:隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展,城市土地面積變得越來越緊張,住宅類建筑不斷地向高層及超高層發(fā)展,這已經(jīng)成為一種必然的發(fā)展趨勢。高層住宅一般多采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系,同一建筑平面方案設(shè)計,對于不同的結(jié)構(gòu)墻體布置,經(jīng)濟指標存在著很大的差異,主要顯示的指標是混凝土用量,以及含鋼量的差距比較大。目前我國房地產(chǎn)業(yè)的迅猛的發(fā)展,使不少房地產(chǎn)開發(fā)商要求設(shè)計單位,不斷地壓縮工程投資,有些甚至采用限額設(shè)計,限制鋼筋使用的數(shù)量。由于高層住宅建設(shè)面積廣用料量大,如果不注意提高建筑的質(zhì)量,就會帶來很多的隱患,特別是對于一些地震區(qū)的建筑施工,更需要謹慎和小心[1]。作為一名結(jié)構(gòu)設(shè)計工作者,如何執(zhí)行好國家對于剪力墻要求的設(shè)計規(guī)范,在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下,使得建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計更加經(jīng)濟合理,是一直值得詳細思考的重要問題,所以對于剪力墻結(jié)構(gòu)進行研究和探討,將十分有利于建筑施工,為不斷提升高質(zhì)量的建筑,是一門必不可少的課題。
1 剪力墻的概念和結(jié)構(gòu)效能
圖1,設(shè)置墻片在水平力作用下的墻片
1.1 剪力墻的概念
剪力墻,可以定義為剛度較大,一般可以作為鋼筋混凝土的墻片,可以包括(如圖1,設(shè)置墻片和在水平力作用下的墻片),這種墻片能夠在水平力的作用下抗彎慣性大,抗側(cè)剛度比框架柱有很大的提高,抗剪強度也增大得多。這種墻能夠為房屋承擔很大的抗剪強度和抗剪剛度,所以稱為剪力墻[2]。對于建筑物的豎向方向的承重構(gòu)件,一般主要是由墻體來承擔,這種墻體既能夠承擔起水平構(gòu)件方向傳來的豎向荷載,又要承擔起風力,以及由于地震作用傳來的力。所以剪力墻也可以定義為“抗震墻”或者“抗剪墻”。
1.2 剪力墻的結(jié)構(gòu)效能
剪力墻作為建筑物的分隔墻,以及圍護墻,因此對于墻體的設(shè)計,需要滿足建筑平面設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計這兩個要求。對于剪力墻的結(jié)構(gòu)體系,需要有很好的承載能力,還要有一定的整體性和空間性作用,這樣才會有使比框架結(jié)構(gòu),更好的承受抗側(cè)力能力。只有這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計,才會建造施工較高的建筑物。
1.3 剪力墻的結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點
采取剪力墻結(jié)構(gòu)進行建筑的優(yōu)點,是側(cè)向剛度比較大,對于水平方向荷載作用下側(cè)移較?。徊扇〖袅Y(jié)構(gòu)進行建筑的缺點,是對于剪力墻的間距,存在著一定的限制,使得建筑平面的設(shè)計不靈活,不適合大空間的公共建筑,另外由于剪力墻結(jié)構(gòu)本身的自重也較大,由于靈活性差,一般只能適用于住宅、公寓、旅館等場所[3]。采用剪力墻結(jié)構(gòu)施工的建筑,一般的樓蓋結(jié)構(gòu)都采用平板設(shè)計,所以可以不設(shè)梁,這樣可以使空間得到充分利用,還可以節(jié)約樓層的層高,使工程造價得到有效的降低。
2 對于剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的探討
2.1 框架與剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計體系
這種剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計體系,是一種由框架與剪力墻相互組合而成的結(jié)構(gòu)體系,適用于需要有局部大空間的建筑,這在局部大空間采用框架結(jié)構(gòu),還可以用剪力墻的結(jié)構(gòu),來提高建筑物的抗側(cè)能力,從而更優(yōu)質(zhì)地滿足高層建筑的要求[4]。
2.2 普通剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計體系
這種普通剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計,就是一種完全由剪力墻組成的結(jié)構(gòu)體系。
2.3 框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計體系
這種框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計體系,是一種當剪力墻結(jié)構(gòu)的底部,需要在施工中有大的空間,當剪力墻在建造過程中無法實現(xiàn)全部落地時,就需要采用這種以底部框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計作輔助,幫助剪力墻實現(xiàn)落地功能[5]。
3 對于剪力墻合理結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的思考
對于層數(shù)低于20層以下的高層住宅,可以相對應(yīng)地采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計體系。對于20層以下的高層住宅,采用傳統(tǒng)的剪力墻的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu),墻體的配筋為構(gòu)造配筋,墻體承載能力沒有得到充分的發(fā)揮,工程費用比較偏高[6]。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,可以采用一種通過改進實現(xiàn)的短肢剪力墻結(jié)構(gòu),具體做法就是有效地利用,建筑平面中部的抗側(cè)剛度很大的電梯間,將這做為一個抵抗水平力的核心,這個核心是由很多片剪力墻組成,是可以用來抵抗由風荷載和地震引起的水平力。在一般情況下,不能將這部分剪力墻,做成短肢剪力墻,需要在剪力墻的長度超過8m時,在其中間開一個結(jié)構(gòu)洞,使這面剪力墻成為一面雙肢剪力墻[7]。除剪力墻的核心區(qū)之外的各片剪力墻,需要看這些墻片所處的位置不同,將其從多個角度分割成若干個“L”型、“一”型“T”型字短肢剪力墻,對于建筑平面上,這些短肢剪力墻,需要承擔結(jié)構(gòu)的豎向荷載,使各墻肢之間可以由連梁連接,形成一種協(xié)同合作的關(guān)系,使剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計方案更加趨于合理,從而使整個結(jié)構(gòu)設(shè)計形成一個完善的抗震體系。短肢剪力墻體系,是由全剪力墻體系組成,通過開設(shè)結(jié)構(gòu)洞形成,從受力性能上分析,一般屬于大開口剪力墻,保持著較好的抗震性能[8]。因此,要想尋找出更為合理的剪力墻合理結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,只有不斷地通過實踐進行思考,才會尋找到最佳的方案。解決建筑施工過程中所存在的實際問題。
總之,對于剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計,在這里只能做初步的思索和探討,可以通過對高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的理解,進一步地按照設(shè)計標準要求,來滿足建筑規(guī)范中所要求的各項技術(shù)指標,不斷地尋找出更為優(yōu)化的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,進行設(shè)計加工,從而達到提升建筑工程質(zhì)量的目的。
參考文獻
[1]趙偉光.關(guān)于剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計[J].廣西質(zhì)量監(jiān)督導報,2008,(07):7-7
[2]黎燕凌.高層建筑短肢剪力墻設(shè)計分析[J].科技風,2010,(18):12-13
[3]欒冬梅.高層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].黑龍江科技信息,2009,(02):17-18
[4]王歡慶.淺議高層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].黑龍江科技信息,2011,(20):4-5
[5]劉娟.住宅建筑中短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題分析[J].廣東科技,2008,(12):6-8
現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)適用于住宅、公寓、飯店、醫(yī)院病房樓等平面墻體布置較多的建筑。由于沒有梁、柱等外露與凸出,剪力墻結(jié)構(gòu)便于房間內(nèi)部布置,填充墻的布置大大減少,鋼筋混凝土墻整體施工,有利于縮短工期。剪力墻,顧名思義,抗風墻。剪力墻可以認為長寬比很大的柱,由于剪力墻截面很長,相對受壓區(qū)高度高,構(gòu)件有很大的延性。所以在抗震性能和使用性能的雙重要求下,剪力墻結(jié)構(gòu)得到廣泛使用。
剪力墻按抗震性能分類
一般剪力墻,是指各肢截面高度與厚度之比大于8的剪力墻結(jié)構(gòu)。此類剪力墻一般只會出現(xiàn)大偏心受壓,配筋基本上按構(gòu)造配筋,破壞屬于延性破壞。
短肢剪力墻是指截面厚度不大于300mm,各墻肢截面高度與厚度之比的最大值大于4但不大于8的剪力墻。此類剪力墻,易出現(xiàn)小偏心受壓,配筋也易出現(xiàn)計算配筋,延性較低。
具有較多短肢剪力墻的剪力墻的結(jié)構(gòu),是指在規(guī)定的水平地震力作用下,短肢剪力墻承擔的底部傾覆力矩不小于結(jié)構(gòu)底部總傾覆力矩的30%的剪力墻結(jié)構(gòu)。
剪力墻的受力模型
剪力墻在水平均布荷載作用下可以簡化為懸臂梁受力。以一根高度為H的懸臂梁受到均布荷載q為例,底部剪力、底部彎矩和頂部位移分別為:
(均布荷載)
V——底部截面剪力;——剪力不均勻系數(shù)
剪力墻的布置
剪力墻是為抵抗變形而設(shè)置的,因此剪力墻的布置首先滿足結(jié)構(gòu)的位移比要求。高層建筑位移要求詳見高規(guī)表3.7.3
由于剪力墻的水平剪力是按等效抗彎剛度進行分配,剪力墻的水平布置要均勻、對稱、周邊,要避免水平凹凸不規(guī)則。剪力墻亦設(shè)置成雙向抗側(cè)力系,兩個方向的剛度不宜相差過大,盡量使剛心和質(zhì)心重合。剪力墻宜布置成T型、L型、型等帶有有效翼緣的構(gòu)件形式,避免一字墻,特別是一字型短墻。
剪力墻的豎向布置要規(guī)則、均勻,避免大的外挑和收進。上下布置要連續(xù),貫穿全高,避免剛度突變,洞口宜成列布置,形成明確的聯(lián)肢墻。上下洞口錯洞布置時,要設(shè)置暗框架梁柱體系。
在水平荷載作用下,剪力墻的破壞形式和剪跨比有關(guān),各墻段的高厚比3時,剪力墻以彎曲變形為主,延性較好。因此剪力墻各個墻段的墻長不宜大于8m,各墻段的長寬比不宜小于3.
剪力墻的特點是平面內(nèi)剛度及承載力大,而平面外剛度及承載力很小。當有水平構(gòu)件與剪力墻平面外連接時,為控制剪力墻平面外彎矩,可按高規(guī)7.1.6條采取加強措施。
剪力墻的截面及軸壓比限值
剪力墻的厚度與框架柱截面一樣,與軸壓比有關(guān),與框架柱不同的是剪力墻厚度一般較小,因此在壓力作用下,還應(yīng)保證其穩(wěn)定性??挂?guī)6.4.2條要求剪力墻軸壓比不超過下表限值
短肢剪力墻要求更嚴,詳見高規(guī)7.2.2條
剪力墻的最小厚度
關(guān)于底部加強部位:加強剪力墻底部的抗剪能力,實現(xiàn)強剪弱彎的目的。
連梁的概念與布置
弱連梁:連梁跨高比5時,連梁以彎曲變形為主,剪切變形不計。這種連梁由于線剛度較小,對剪力墻的約束較弱,在水平荷載作用下對結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度影響較小。因此認為這種梁主要承擔豎向荷載,高規(guī)7.1.3條弱連梁按框架梁設(shè)計。
強連梁:連梁的跨高比2.5,此種連梁以剪切變形為主,彎曲變形忽略不計。這種連梁對剪力墻約束很強,主要承擔水平荷載,豎向荷載作用下彎矩非常小。
在PKPM—SATWE計算模型中:對于弱連梁,采用梁的輸入方式;對于強連梁按剪力墻開洞形成連梁;對于52.5的連梁,兩種方式均可。值得注意的是,按這兩種方式建模剛度有很大差別。按連梁設(shè)計,剛度進行折減,折減系數(shù)一般取0.50.7。按框架梁設(shè)計,考慮現(xiàn)澆板翼緣作用,剛度進行放大,放大系數(shù)一般取1.32.0。
結(jié)束語
綜上所述,剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中,一些概念是很重要的。本文從概念設(shè)計上整體論述了剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容,因為是淺議,還有很多內(nèi)容沒有展開。要想做好剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計,還需要設(shè)計者們不斷學習。通過本文想達到的目的就是,做結(jié)構(gòu)設(shè)計一定要把握重概念、輕精度的主線。
參考文獻
高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ3-2010).北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.
中圖分類號: S611文獻標識碼:A 文章編號:
一、剪力墻的基本概念
近年來我國鋼產(chǎn)量連年居世界第一,混凝土使用量亦居世界第一,這都為后來高層建筑的發(fā)展創(chuàng)造了良好的物質(zhì)條件。我國內(nèi)地高層建筑中,高層住宅(12-30層)占主體,約占全部高層建筑的80%,目前國內(nèi)的高層住宅建筑大多是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)體系分框架、剪力墻、框架--剪力墻三大結(jié)構(gòu)體系??蚣芙Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點是:建筑平面布置靈活,分隔方便;整體性、抗震性能好,設(shè)計合理時結(jié)構(gòu)具有較好的塑性變形能力;外墻采用輕質(zhì)填充材料時,結(jié)構(gòu)自重小。但框架結(jié)構(gòu)的缺點是剛度較小。橫向荷載作用下的側(cè)向變形大,正是這一點限制了框架結(jié)構(gòu)的建造高度。剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是:整體性好、剛度大,抵抗側(cè)向變形能力強;抗震性能較好,設(shè)計合理時結(jié)構(gòu)具有較好的塑性變形能力。因而剪力墻結(jié)構(gòu)適宜的建造高度比框架結(jié)構(gòu)要高。剪力墻結(jié)構(gòu)的缺點是:受樓板跨度的限制一般為3—8m,剪力墻間距不能太大,建筑平面布置不夠靈活,難以應(yīng)用于公共建筑??蚣?-剪力墻結(jié)構(gòu)中,剪力墻剛度大,承擔大部分的水平力,是抗側(cè)力的主體,整個結(jié)構(gòu)的剛度大大提高;框架則承擔豎向荷載,提供了較大的使用空間,同時也承擔少部分水平力。隨著高層建筑的發(fā)展,新的結(jié)構(gòu)體系不斷出現(xiàn),除框架、剪力墻、框架--剪力墻三大結(jié)構(gòu)體系外、還有簡體、框架--筒體、剪力墻--筒體、筒中筒、巨型框架結(jié)構(gòu)體系和懸掛結(jié)構(gòu)體系等。
二、剪力墻設(shè)計的原則
對剪力墻的設(shè)計要做到安全、經(jīng)濟合理,所以在設(shè)計的過程中除了對位移限制值的要求外,還要充分發(fā)揮框剪結(jié)構(gòu)中各抗側(cè)力構(gòu)件的作用。在剪力墻數(shù)量的設(shè)計的時候,位移限制值要滿足規(guī)范的規(guī)定,應(yīng)盡量減少剪力墻數(shù)量,但應(yīng)滿足在基本振犁地震作用下,剪力墻部分承受的地震傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的一半。
1、樓層最小剪力系數(shù)的調(diào)整原則
在設(shè)計時候要盡量減少剪力墻的布置,最好設(shè)計為大開間剪力墻布置方案,來達到比較理想的側(cè)向剛度結(jié)構(gòu),樓層的最小剪力系數(shù)接近規(guī)范的極限值,但是這要滿足短肢剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩占結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩不超過40%。這樣在減輕結(jié)構(gòu)自重的時候降低地震作用帶來的危害而且造價方面可以減少。
2、樓層層間最大位移與層高之比的調(diào)整原則
規(guī)范規(guī)定最大的彈性層問位移在多遇地震作用標準值產(chǎn)生的樓層計算的時候,可以不除去結(jié)構(gòu)整體彎曲變形,應(yīng)計入扭轉(zhuǎn)變形在以彎曲變形為主的高層建筑中。由此可以看出,樓層間的扭轉(zhuǎn)和剪切變形對于一般的高層建筑是重點考慮的方面。豎向構(gòu)件的多少決定著剪切變形的控制,但是即使構(gòu)件的數(shù)量足夠多但是布置不合理,扭轉(zhuǎn)變形就會過大,仍然達不到層間位移的要求。所以,高層建筑能僅僅根據(jù)層間位移不夠不加分析地增加豎向構(gòu)件的剛度,而應(yīng)盡可能使扭轉(zhuǎn)變形最小。
3、剪力墻連梁超限的調(diào)整原則
剪力墻的連續(xù)梁的跨高比小于2.5可能會出現(xiàn)彎矩和剪力超過規(guī)范的極限規(guī)定,所以其跨高比一般不小于2.5。規(guī)范規(guī)定連續(xù)梁不應(yīng)折減,在跨高比不超過5的時候。在跨高比在5到的時候,連續(xù)梁剛度也必須折減,否則可能導致彎矩和剪力超過極限值。這點如果能在具體工程設(shè)計的時候能有效利用,工程造價會降低很多。
三、剪力墻結(jié)構(gòu)的厚度和配筋問題
1)根據(jù)抗震規(guī)范6.1.2條規(guī)定,8度地震區(qū)剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震等級至少應(yīng)為二級:按6.4.1條要求剪力墻底部加強部位墻厚一、二級抗震等級時≥200mm,且≥層高的1/16,其他部位≥160ram,當墻端頭無翼墻或暗柱時≥層高的1/12。以上規(guī)定目的是為防止因墻體平面外剛度過小,穩(wěn)定性差,容易在偏心荷載作用下壓屈失穩(wěn),但這些規(guī)定對于8度地震區(qū)的多層及低高層剪力墻結(jié)構(gòu)顯得不夠合理。2)墻體的配筋率。目前在11.7.1l條文強制規(guī)定在一、二、三級抗震等級的剪力墻中,豎向和水平分布筋的最小配筋率均≥0.25%;部分框支剪力墻底部加強部位的配筋率≥0.3%;這配筋率比其在20世紀80年代前的配筋率0.07%~0.1%要大多了,和國外的配筋率0.1%—0.25%的高者基本接軌,這在高層或者較長的剪力墻結(jié)構(gòu)中應(yīng)該是合理的,但對于低矮、短小的剪力墻值得探討.墻的水平分布筋是為橫向抗剪以防止墻體在斜裂縫出現(xiàn)后發(fā)生脆性剪切破壞,同時起到抵抗溫度應(yīng)力防止砼出現(xiàn)裂縫,設(shè)計中當建筑物較高、較長或框剪結(jié)構(gòu)時配筋宜適當增加,特別在連梁部位或溫度、剛度變化等敏感部位宜適當增加。但對于矮、短的房屋,其水平筋的配筋率是否適當減小值得探討。墻的豎向鋼筋主要起抗彎作用,目前在一些多層、低高層剪力墻中電算結(jié)果多為構(gòu)造配筋,但配筋時所取的配筋率往往扣除了約束邊緣構(gòu)件或構(gòu)造邊緣構(gòu)件中的鋼筋,筆者認為豎向最小配筋率應(yīng)包括邊緣構(gòu)件中的鋼筋,墻肢的豎向配筋原則也應(yīng)該盡量將鋼筋布置在墻端部邊緣區(qū)并保證鋼筋間距≤300mm,也應(yīng)該注意防止豎筋過多使墻的抗彎強度大于抗剪強度,對抗震不利。
四、剪力墻結(jié)構(gòu)的超長問題
《混凝土規(guī)范》9.1.1條中規(guī)定現(xiàn)澆混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的溫度伸縮縫最大間距:當在室內(nèi)或土中時為45m,露天時為30m;而現(xiàn)澆框架剪力墻或框架核心筒結(jié)構(gòu)的伸縮縫間距可取45—55m。規(guī)范的這一規(guī)定顯然與現(xiàn)今建筑的體量越來越大但功能又要求不設(shè)伸縮縫發(fā)生矛盾;因此目前許多工程中的伸縮縫間距都突破了規(guī)范的規(guī)定,筆者認為今后當剪力墻結(jié)構(gòu)超長時,應(yīng)該慎重處理為好,過長時應(yīng)該盡量設(shè)置溫度伸縮縫,宜較嚴格遵守規(guī)范規(guī)定的限值,理由如下:
1)剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大,受溫差影響大,混凝土的收縮產(chǎn)生的變形大,墻體對樓面、屋面產(chǎn)生的約束也大;當結(jié)構(gòu)發(fā)生收縮變形時比其他結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)裂縫。一些未超長的剪力墻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生墻體或樓面裂縫,其主要原因就在此。
2)剪力墻結(jié)構(gòu)多用于商品住房和公寓,使用狀況復雜,一旦私人購買的房子出現(xiàn)裂縫,雖然沒有安全問題,但處理起來問題多、難度大、社會影響大。
3)混凝土結(jié)構(gòu)受溫度或收縮形變的影響與眾多因素有關(guān);而體型龐大的剪力墻房屋往往形狀復雜,混凝土收縮大,約束應(yīng)力積聚也大,施工工藝及管理也難控制,環(huán)境影響使用變化難于判斷,因此更難于解決混凝土收縮變形時,在受約束條件下引起拉應(yīng)力而保證不出現(xiàn)裂縫。
4)目前混凝土中水泥用量普遍增大,加上由于混凝土強度的提高,使彈性模量增加將引起更大的約束拉應(yīng)力產(chǎn)生,使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的因素增多。
5)普遍使用商品混凝土泵送施工,為了泵送,增大水泥用量,減少了中粗骨料含量和骨料粒徑,加上泵送混凝土配合比和施工送料時的不良因素影響等都加大了結(jié)構(gòu)收縮量,增加產(chǎn)生裂縫的因素。
結(jié)束語
隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高,城市的高樓化趨勢不可動搖,高層建筑將會快速發(fā)展,所以剪力墻結(jié)構(gòu)會得到更多的運用。剪力墻的抗震性好,造價相對低廉這就給剪力墻結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了更好的準備。設(shè)計人員在對剪力墻的設(shè)計的時候要從各方面對其進行優(yōu)化設(shè)計,提高其方案水平,在滿足各方面的要求的時候使建筑物更加安全可靠。
參考文獻:
引言
剪力墻是鋼筋混凝土多高層建筑中不可缺少的基本構(gòu)件,由于它是截面高度達而厚度相對很小的“片”狀構(gòu)件,雖然它有承載力大和平面內(nèi)剛度大等優(yōu)點,但也具有剪切變形相對較大、平面外較薄弱的不利性能;此外開洞后的剪力墻形式變化多,受力狀況比較復雜,因而了解剪力墻的特性,發(fā)揮其所長,克服其所短,是正確設(shè)計剪力墻的關(guān)鍵。
1、剪力墻的合理布置
剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)雙向布置,抗震設(shè)計時雙方向的抗側(cè)剛度宜接近,避免懸殊。衡量雙方向抗側(cè)剛度是否接近可檢查電算結(jié)果中兩個方向的第一振型的周期和樓層層間最大位移與層高之比u/h是否接近。
在框架結(jié)構(gòu)中適當?shù)牟贾眉袅蓮浹a框架抗側(cè)剛度不足,扭轉(zhuǎn)剛度不足的缺點。算例1中,有一10層的框剪結(jié)構(gòu),由于業(yè)主的要求往往要求設(shè)置砼電梯筒,砼筒體偏置導致結(jié)構(gòu)第一周期為扭轉(zhuǎn),這時只需在合適的地方布置剪力墻就能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度的增大。以下用四種方式布剪力墻來說明這一點。前兩種為縱向布墻見圖1.1,發(fā)現(xiàn)Y向剛度調(diào)整過度,扭轉(zhuǎn)仍為第一周期。后兩種為橫向布墻見圖1.2,剛心與質(zhì)心的坐標已較為接近,第一周期為平動。具體模型結(jié)果參數(shù)比較詳見表1.1圖1.3,框架及框剪結(jié)構(gòu)中,由于剪力墻的數(shù)量較少,通過改變剪力墻的數(shù)量可使結(jié)構(gòu)剛心的位置產(chǎn)生明顯的變化,但是在剪力墻結(jié)構(gòu)中,墻體的數(shù)量已經(jīng)很多,增加或減少墻體已經(jīng)很困難了,則可以通過改變墻體的厚度或開洞的大小來實現(xiàn)剛心位置和質(zhì)心位置的盡量靠近。
因建筑功能要求剪力墻偏置的結(jié)構(gòu),應(yīng)通過剪力墻墻厚的變化、洞口的設(shè)置等措施,確保結(jié)構(gòu)剛度中心與質(zhì)量中心基本重合,以減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)。在另一方向遠離樓層剛心處設(shè)置足夠數(shù)量的剪力墻,也可有效的限制一方向抗側(cè)力構(gòu)件偏置引起的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)。
α——整體性系數(shù);I——剪力墻對組合截面形心的慣性矩; ——扣除墻肢慣性矩后的剪力墻慣性矩; ——第j列連梁的折算慣性矩; ——第j列連梁的截面慣性矩。 ——梁截面形狀系數(shù),矩形截面時 =1.2; ——第j墻肢的慣性矩;m——洞口列數(shù);h——層高; ——第j列洞口兩側(cè)墻肢形心間距離;H——剪力墻總高度; ——第j列洞口連梁計算跨度,取洞口寬度加連梁高度的一半; ——系數(shù),
當3~4個墻肢時取0.8;5~7個墻肢時取0.85;8個以上墻肢時取0.9。彈性階段,剪力墻的性能與整體系數(shù)α有關(guān)。整體系數(shù)為連梁剛度與墻肢剛度的比值。彈性分析表明:連梁剛度小、α≤1時,連梁對墻肢的約束彎矩很小,可以忽略連梁對墻肢的約束,把連梁看成是鉸接連桿,只傳遞水平力,墻肢各自承擔水平力,剪力墻的剛度、承載力為各墻肢剛度、承載力之和;連梁剛度大、α≥10時,連梁對墻肢的約束大,在水平力作用下,剪力墻的截面應(yīng)力分布接近直線,剪力墻接近整體墻,剪力墻的剛度,承載力大;1≤α≤10時,為聯(lián)肢剪力墻,工程中的剪力墻大部分為聯(lián)肢剪力墻;剪力墻洞口加寬,墻肢截面長度減小,而連梁與墻肢的剛度比增大,α>>10時,剪力墻逐步變化為框架兩端與剪力墻在平面內(nèi)相連的梁為連梁。如果連梁以水平荷載作用下產(chǎn)生的彎矩和剪力為主,豎向荷載下的彎矩對連梁的影響不大(兩端彎矩仍然反號),那么該連梁對剪切變形十分敏感,容易出現(xiàn)剪切裂縫,則應(yīng)按規(guī)范有關(guān)連梁設(shè)計的規(guī)定進行設(shè)計,一般是跨度較小的連梁;反之,則宜按框架梁進行設(shè)計,其抗震等級與所連接的剪力墻的抗震等級相同。
對于剪力墻連梁應(yīng)根據(jù)連梁的強弱采用不同的計算模型,當為較強連梁(連梁的凈跨度ln與連梁截面高度h的比值ln/h5)時采用梁元模型計算。這樣更接近于真實情況。
高層建筑結(jié)構(gòu)在水平力作用下幾乎都會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn),最大的位移角一般在結(jié)構(gòu)單元的盡端處,所以提高結(jié)構(gòu)本身的抗扭剛度,對滿足規(guī)范對位移角的限值有重大的意義。加大剛度的措施有:盡量在邊緣位置布置剪力墻;將周邊剪力墻加厚或加長;利用窗臺空間將框架梁或弱連梁加高變成強連梁等當梁的一端(或兩端)與剪力墻相連,且梁跨高比小于5的非懸臂梁稱為連梁??拐鹪O(shè)計的連梁由于其跨高比小,剛度大,常作為主要的抗震耗能構(gòu)件,在地震作用下(有時甚至在多遇地震作用下)連梁產(chǎn)生很大的塑性變形,剛度退化嚴重,而連梁的剛度退化加大了剪力墻的負擔,因此,在結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)適當考慮連梁剛度過早退化的工作特點,加大墻肢的設(shè)計內(nèi)力,對連梁的剛度折減是考慮連梁梁端出現(xiàn)的塑性變形,但不是連梁的失效。
剪力墻結(jié)構(gòu)是以剪力墻及因剪力墻開洞形成的連梁組成的結(jié)構(gòu),其變形特點是彎曲型變形,目前有些項目采用了大部分由跨高比較大的框架梁聯(lián)系的剪力墻形成的結(jié)構(gòu)體系,這樣的結(jié)構(gòu)雖然剪力墻較多,但受力和變形特性接近框架結(jié)構(gòu),當層數(shù)較多時對抗震是不利的,宜避免。
3、實例分析:
某住宅33層,層高2.9米,主要屋面標高95.650,帶一層地下車庫,采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。平面長約43米,寬約16.65米。建筑功能布置詳見圖3.1,北面中部集中設(shè)置了一部樓梯和四個電梯筒,是剪力墻布置比較集中的地方。南面由于設(shè)置了陽臺,布置了大量的門連窗,需要剪力墻開大洞,因此形成了許多小墻肢。初算之后,結(jié)構(gòu)的剛心質(zhì)心偏離較大,結(jié)構(gòu)的第二周期為扭轉(zhuǎn)。設(shè)計總體思路削弱北面的墻,加強南面的墻,加厚東西兩側(cè)山墻,盡量使剛心質(zhì)心靠近。方案一:為避免北面小墻肢C,將墻肢C取消,開大洞口。北面由于墻體比較集中,將A墻肢取消。同時將南面墻厚及東西山墻加厚至300且延伸高度至26層。計算后周期較好,第二周期平動系數(shù)0.76,Y向風載位移1/1017,接近規(guī)范限值。詳見圖3.2,但筆者認為該方案,多處開大洞,連梁跨高比均大于5,形成框架梁。在地震作用下,連梁失去耗能意義,對抗震不利。方案二:根據(jù)“弱化中間,加強周邊”的原則,將AC處墻肢補上,開小洞,減少洞口寬度,形成ln/h
4、結(jié)論
剪力墻結(jié)構(gòu)布置原則首先結(jié)合建筑功能布局將剪力墻均勻布置于平面,使剛心坐標與質(zhì)心坐標盡量靠近;其次根據(jù)“弱化中間,加強周邊”原則,加強周邊剪力墻,特別是離結(jié)構(gòu)剛心最遠的剪力墻剛度以加大結(jié)構(gòu)的抗扭剛度;然后根據(jù)位移等參數(shù)對墻體開必要的結(jié)構(gòu)洞口,但是不宜形成過多的框架梁,保證結(jié)構(gòu)的耗能特性。以上原則不分先后,也可同時進行。依據(jù)這些原則使結(jié)構(gòu)設(shè)計變得有目的性和有規(guī)律可循。
參考文獻:
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[2]建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問答及分析/朱炳寅編著?!本褐袊ㄖI(yè)出版社,2009 questions and analysis of building structure design—beijing: China Architecture & Building Press ,2009.
從2005年12月份,我參與了深圳寶安綠海名居的結(jié)構(gòu)設(shè)計,綠海名居位于寶安西鄉(xiāng),是個面積超過十萬平方米商住小區(qū),最高23層。主要為剪力墻結(jié)構(gòu)或框支剪力墻結(jié)構(gòu)。以下是我對剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計做的一些總結(jié):
A級高度乙類、丙類高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)最大適用高度:
全部落地剪力墻――非抗震、6度、7度、8度、9度抗震時,分別為150、140、120、100、60m
部分框支剪力墻――非抗震、6度、7度、8度抗震時,分別為130、120、100、80m,9度抗震時不宜采用
A級高度甲類高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)最大適用高度:
6度、7度、8度抗震時,將本地區(qū)設(shè)防烈度提高一級后,按乙類、丙類建筑采用
9度抗震時,應(yīng)專門研究
(說明:房屋高度指室外地面至主要屋面高度,不包括局部突出屋面的電梯機房、水箱、構(gòu)架等高度)
B級高度乙類、丙類高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)最大適用高度:
全部落地剪力墻――非抗震、6度、7度、8度抗震時,分別為180、170、150、130m
部分框支剪力墻――非抗震、6度、7度、8度抗震時,分別為150、140、120、100m
B級高度甲類高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)最大適用高度:
6度、7度抗震時,按本地區(qū)設(shè)防烈度提高一級后,按乙類、丙類建筑采用
8度抗震時,應(yīng)專門研究
結(jié)構(gòu)的最大高寬比:
A級高度――非抗震、6度、7度、8度、9度抗震時,分別為6、6、6、5、4
B級高度――非抗震、6度、7度、8度抗震時,分別為8、7、7、6
質(zhì)量與剛度分布明顯不對稱、不均勻的結(jié)構(gòu),應(yīng)計算雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響;
其他情況,應(yīng)計算單向水平地震作用的扭轉(zhuǎn)影響
考慮非承重墻的剛度影響,結(jié)構(gòu)自振周期折減系數(shù)取值0.9~1.0
平面規(guī)則檢查,需滿足:
扭轉(zhuǎn):A級高度不宜大于該樓層平均值的1.2倍,不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍
B級高度、混合結(jié)構(gòu)高層、復雜高層不宜大于該樓層平均值的1.2倍,不應(yīng)大于該樓層平均值的1.4倍
樓板:有效樓板寬≥該層樓板典型寬度的50%
開洞面積≤該層樓面面積的30%
無較大的樓層錯層
凹凸:平面凹進的一側(cè)尺寸≤相應(yīng)投影方向總尺寸的30%
豎向規(guī)則檢查,需滿足:
側(cè)向剛度:
除頂層外,局部收進的水平向尺寸≤相鄰下一層的25%
樓層承載力:
A級高度――抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力(宜)≥相鄰上一層的80%
薄弱層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力(應(yīng))≥相鄰上一層的65%
B級高度――抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力(應(yīng))≥相鄰上一層的75%
(說明:樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)受剪承載力指在所考慮的水平地震作用方向,該層全部柱及剪力墻的受剪承載力之和)
豎向連續(xù):
豎向抗側(cè)力構(gòu)件(柱、抗震墻、抗震支撐)的內(nèi)力不得由水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件(梁等)向下傳遞
水平位移驗算:
多遇地震作用下的最大層間位移角(高規(guī)表4.6.3)
罕遇地震作用下的薄弱層層間彈塑性位移角≤1/120
舒適度要求:
高度超過150m的高層建筑,按10年一遇的風荷載取值計算的順風向與橫風向結(jié)構(gòu)頂點的最大加速度限值為:住宅、公寓0.15m/s2,辦公、旅館0.25m/s2
伸縮縫
1.最大間距:現(xiàn)澆45m,裝配65m
2.可適當放寬最大間距的條件:
①頂層、底層、山墻和縱墻端開間等溫度變化影響較大的部位提高配筋率
②頂層加強保溫隔熱措施,外墻設(shè)置外保溫層
③每隔30~40m留出后澆帶,帶寬800~1000mm,鋼筋采用搭接接頭,后澆帶砼兩個月之后澆灌
④頂部樓層改用剛度較小的結(jié)構(gòu)形式,或頂部設(shè)局部溫度縫,將結(jié)構(gòu)劃分為長度較短的區(qū)段
⑤采用收縮較小的水泥,減少水泥用量,砼中加入適宜的外加劑
⑥提高每層樓板的構(gòu)造配筋率,或采用部分預(yù)應(yīng)力混凝土
防震縫
1.最小寬度:按框架結(jié)構(gòu)的50%取用,但不宜小于70mm.
框架結(jié)構(gòu)防震縫最小寬度規(guī)定為:高度≤15m的部分,70mm;超過15m的部分,6度、7度、8度、9度相應(yīng)每增加高度5m、4m、3m、2m,縫寬加寬20mm
2.縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)體系不同時,按不利情況確定
縫兩側(cè)房屋高度不同時,按較低房屋高度確定
3.縫沿房屋全高設(shè)置,地下室和基礎(chǔ)可不設(shè),但在與上部防震縫對應(yīng)處應(yīng)加強構(gòu)造和連接
4.相鄰結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)存在較大沉降差時,宜加寬防震縫
墻體布置
宜雙向布置,尤其是抗震時應(yīng)避免單向布置
門窗洞口宜上下對齊,成列布置。底部加強部位不宜采用錯洞墻,且所有部位不宜采用疊合錯洞墻
墻肢長度不宜超過8m,且墻段總高與墻肢高度之比應(yīng)大于2.當墻肢較長時宜開設(shè)洞口,各墻段間設(shè)置弱連梁
應(yīng)避免樓面梁垂直支承在無翼墻的剪力墻的端部(《審查要點》3.6.3/6)
當墻肢與其平面外方向的樓面梁連接時,應(yīng)至少采取以下一種措施:
一般剪力墻的底部加強部位高度的取值:
(說明:當有地下室時,墻肢總高度應(yīng)從地上一層(首層)算起,但底部加強部位應(yīng)額外加上地下室的高度)
截面設(shè)計
構(gòu)件截面長邊與短邊之比大于4時,宜按墻的要求進行設(shè)計(《砼規(guī)》10.5.1)
矩形截面獨立墻肢的長度與厚度之比不宜小于5
當其比值小于5時――其在重力荷載代表值作用下的軸壓比限值,當一、二級抗震時,應(yīng)較正常墻肢的相應(yīng)值減0.1,三級時不宜大于0.6
當其比值不大于3時――宜按框架柱進行設(shè)計,但縱向鋼筋的最小配筋率不變,且箍筋宜沿全高加密
雙肢剪力墻的抗震設(shè)計中,墻肢不宜出現(xiàn)小偏拉,當任一墻肢出現(xiàn)大偏拉時,兩墻肢均應(yīng)將彎矩設(shè)計值和剪力設(shè)計值乘以1.25的增大系數(shù)
(說明:剪力墻墻肢不同受力狀態(tài)的延性優(yōu)劣――小偏拉
剪力墻截面設(shè)計的內(nèi)容:平面內(nèi)的斜截面受剪、偏壓或偏拉、平面外軸心受壓
在集中荷載作用下,墻內(nèi)宜設(shè)置暗柱,并注明暗柱縱筋的連接方式,無暗柱時應(yīng)進行局部受壓承載力驗算
一級抗震時,墻體的水平施工縫處宜進行抗滑移驗算
截面厚度
一、二級抗震時,底部加強部位≥(內(nèi)容參見高規(guī))
其他部位≥
(《砼規(guī)》11.7.9/1)補充:當墻端無端柱或翼墻時,≥層高的1/12
三、四級抗震時,底部加強部位≥
其他部位≥
非抗震時,≥
當不能滿足上述要求時,應(yīng)進行墻體的穩(wěn)定計算(高規(guī)附錄D)
剪力墻井筒中,分隔電梯井或管道井的墻肢截面厚度可適當減小,但不宜小于160mm.
截面尺寸還應(yīng)符合受剪要求
剪力墻的厚度不宜小于樓層高度的1/25(《砼規(guī)》10.5.2)
軸壓比限值
一般剪力墻底部加強部位――二級抗震0.6、一級(7、8度)抗震0.5、一級(9度)抗震0.4
參考文獻:
Abstract: due to the reinforced concrete shear wall structure has arranged flexibly, inside the room no dew beam, Lou column, can bring to the building of the advantages of large flexible space, in recent years, more and more many, high-rise residential the shear wall structure. This paper, focusing on the shear wall structure design of related problems are analyzed, and the key of shear wall structure layout, shear wall to wall thickness, shear wall in the limbs of coupling beam design is discussed in this paper.
Key words: the shear wall structure, structure design
中圖分類號:S611文獻標識碼:A 文章編號:
引言
剪力墻結(jié)構(gòu)由于其抗側(cè)剛度大、側(cè)移小和抗震性能好等優(yōu)點,集承重、抗風、抗震、圍護與分隔為一體,經(jīng)濟合理地利用了結(jié)構(gòu)材料,鋼筋用量較省,節(jié)約投資等系列優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中,尤其是多、高層建筑。但在工程實際應(yīng)用中,建筑空間由于受剪力墻最大間距限制,建筑平面及使用空間往往受到局限。而且在設(shè)計中,對剪力墻位置的具體布置、截面形狀和尺寸等是否合理,相關(guān)的規(guī)范沒有明確的規(guī)定,通常是由結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)概念和經(jīng)驗來設(shè)計的。因此,在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中許多問題值得探討。本文就剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計做一些簡單分析,拋磚引玉。
1.剪力墻結(jié)構(gòu)的基本含義與分類
剪力墻結(jié)構(gòu)是由剪力墻組成的承受豎向和水平作用的結(jié)構(gòu)。剪力墻的結(jié)構(gòu)類型有以下幾種:框架--剪力墻結(jié)構(gòu),剪力墻結(jié)構(gòu),部分框支剪力墻結(jié)構(gòu),框架--核心筒結(jié)構(gòu),筒中筒結(jié)構(gòu),板柱--剪力墻結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)按照開洞大小,可以分為整體墻、小開口整體墻、聯(lián)肢剪力墻以及壁式框架。
2剪力墻的結(jié)構(gòu)布置
剪力墻的布置除應(yīng)符合國家規(guī)范、規(guī)程中有關(guān)規(guī)定外,在本文中進一步對剪力墻的布置提出了一些要求,其中關(guān)于框架剪力墻和梁、墻布置等都屬于本文著重闡述的內(nèi)容。
2.1結(jié)構(gòu)平面布置
高層結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的空間工作性能,剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計成雙向抗側(cè)力體系,形成空間整體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)兩主軸方向均應(yīng)布置剪力墻,并宜使兩個方向的抗側(cè)剛度接近,剛度中心與結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心接近,避免產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。嚴禁單向布置剪力墻。當某個方向由于條件限制而數(shù)量偏小時,在垂直方向的剪力墻上布置沿該方向的一定數(shù)量的翼緣,使與梁形成框架效應(yīng),可明顯增加該向的抗側(cè)剛度。
2.2豎向剛度均勻
剪力墻布置對結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度有很大影響,剪力墻沿高度不連續(xù),將造成結(jié)構(gòu)沿高度剛度突變,對抗震非常不利,所以應(yīng)要求剪力墻自上到下連續(xù)布置,上應(yīng)到頂,下應(yīng)到底。為減輕結(jié)構(gòu)自重和減少側(cè)向剛度,允許沿高度均勻連續(xù)改變墻厚和混凝土強度等級,每次墻厚減少宜為50㎜~~100㎜,混凝土強度等級減少宜為5Mpa,以避免剛度突變。厚度改變和混凝土強度等級的改變宜錯開樓層。
2.3墻肢高寬比
剪力墻應(yīng)設(shè)計成受彎曲破壞的延性結(jié)構(gòu),避免剪切脆性破壞及滑移破壞。剪力墻的高寬應(yīng)比不應(yīng)小于2。當墻的長度很長時,為了滿足每個墻段高寬比大于2的要求,可通過開設(shè)洞口等措施,將長墻分成長度較小、較均勻的獨立墻段,每個獨立墻段可以是整體墻,也可以是聯(lián)肢墻。
2.4剪力墻洞口的布置
剪力墻洞口的布置,會極大地影響剪力墻的力學性能。因此,布置剪力墻洞口時應(yīng)滿足以下3方面要求。
(1)規(guī)則開洞,洞口成列、成排布置,能形成明確的墻肢和連梁,應(yīng)力分布比較規(guī)則,又與當前普遍應(yīng)用程序的計算簡圖較為符合,設(shè)計結(jié)果安全可靠。同時宜避免使墻肢剛度相差懸殊的洞口設(shè)置;
(2)對于錯洞剪力墻和疊合錯洞墻,二者都是不規(guī)則開洞的剪力墻,其應(yīng)力分布復雜,容易造成剪力墻的薄弱部位,常規(guī)計算通常無法獲得其實際內(nèi)力,構(gòu)造也比較復雜。其主要特點是洞口錯開距離很小,甚至疊合,不僅墻肢不規(guī)則,洞口之間會形成薄弱部位,疊合錯洞墻比錯洞口墻更為不利,設(shè)計時應(yīng)盡量避免。當確實無法避免疊合錯洞布置時,應(yīng)按有限元方法仔細計算分析并在洞口周邊采取加強措施或采用其他輕質(zhì)材料填充將疊合洞口轉(zhuǎn)化為規(guī)則洞口的剪力墻或框架結(jié)構(gòu);
(3)具有不規(guī)則洞口剪力墻的內(nèi)力和位移計算應(yīng)符合規(guī)程的有關(guān)規(guī)定。目前使用的計算軟件,除了平面有限元方法外,尚沒有更好的簡化方法計算。對結(jié)構(gòu)整體計算中采用了桿系、薄壁桿系模型或?qū)Χ纯谧髁撕喕幚淼钠渌邢拊P蜁r,應(yīng)對不規(guī)則開洞墻的計算結(jié)果進行分析、判斷,必要時應(yīng)進行補充計算和校核。
3.墻肢厚度的選取
高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程規(guī)定了剪力墻的最小厚度,其主要目的是保證剪力墻出平面的剛度和穩(wěn)定性能。對于住宅建筑,層高一般為2.8m—3.0m,填充墻厚一般為200mm,相應(yīng)剪力墻厚也取為200mm。除底層加強區(qū)的一字形獨立剪力墻外,均能滿足規(guī)范要求。對于無地下室的高層住宅,因其基礎(chǔ)埋深一般在2.5m以上,則底層墻體高度會到5.0m以上,若按層高的1/16確定墻厚,將超過300mm,大于填充墻厚度。為避免出現(xiàn)此種情況,在布置剪力墻時,應(yīng)結(jié)合建筑平面,盡量不用一字形剪力墻,而采用L、T、Z、十字形等截面形式,且使翼緣長度大于其厚度的3倍,這樣一方面墻體抗震性能更好,另一方面墻厚也可取為剪力墻無肢長度的1/16。由于住宅建筑中剪力墻肢長一般小于3.0m,故厚度采用200mm滿足構(gòu)造要求。
4.連梁的設(shè)計
連梁是指剪力墻結(jié)構(gòu)中墻肢與墻肢間的梁,當墻肢在水平荷載作用下彎曲變形在連梁端部產(chǎn)生轉(zhuǎn)角時,連梁端部內(nèi)力會阻止與之相連的墻肢的內(nèi)力和變形從而改變墻肢受力狀態(tài),因此連梁的設(shè)計對剪力墻結(jié)構(gòu)尤為重要。
剪力墻結(jié)構(gòu)在水平力作用下的破壞分為脆性破壞和延性破壞,由于墻肢抗剪能力不夠而發(fā)生剪切破壞屬于脆性破壞,該種現(xiàn)象可以在設(shè)計中對連梁的設(shè)計來避免。若在荷載作用下連梁發(fā)生破壞則會導致連肢墻喪失連梁對墻肢的約束作用,當沿剪力墻高所用連梁均發(fā)生剪切破壞時,連肢墻的各墻肢將被分割為單片墻,導致結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度大大降低,墻肢彎矩增大,因此,規(guī)范規(guī)定連梁截面的剪壓比限值和抗震等級為一、二級時連梁端部剪力設(shè)計值的調(diào)整系數(shù)即為了防止連梁早于彎曲破壞而發(fā)生剪切破壞;在破壞過程中連梁不屈服,墻肢首先發(fā)生彎曲破壞雖屬于延性破壞,但該情況下吸收地震能量的能力較低。而在破壞過程中連梁首先屈服,之后是墻肢屈服,連梁通過塑性鉸的變形吸收大量地震能量,傳遞彎矩和剪力對墻肢起到約束作用,以上兩種情況在設(shè)計過程中應(yīng)盡力避免。
5.結(jié)語
隨著社會的不斷進步,多、高層住宅正像雨后春筍一樣拔地而起,如何對剪力墻結(jié)構(gòu)進行合理選型以及優(yōu)化布置就顯得非常重要。設(shè)計人員只有熟練掌握規(guī)范,具有明確的結(jié)構(gòu)概念,根據(jù)結(jié)構(gòu)受力的特點和破壞機理,充分利用剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點,合理選擇結(jié)構(gòu)布置形式,掌握正確計算分析方法,結(jié)合工程的實際背景進行設(shè)計,才能做出安全適用、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理的作品。
參考文獻:
1.楊斌,張紅英.關(guān)于剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中若干問題的研究[J].工程地球物理學報,2007,24(06):
Abstract: this article from the frame shear wall structure with the basic concept of design, this paper analyzes the frame shear wall in the design process of the need to control a few parameters, and through the application of PKPM, combined the high-rise building reinforced concrete structure technical regulation JGJ3-2002 (hereinafter referred to as the "high rules") and the code for seismic design of building GB50011-2010 (hereinafter referred to as the "resistance rules") of the related provisions of the proposed some attention points.
Keywords: frame shear wall; High-rise building
中圖分類號:[TU208.3]文獻標識碼:A 文章編號:
一 、前言
隨著我國城市化的快速發(fā)展,城市空間日益緊張,對高層建筑的需求越發(fā)明顯。高層體系一般分為框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)等多種體系。其中框架剪力墻結(jié)構(gòu)就是集框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點于一身,取長補短,即有框架結(jié)構(gòu)建筑布置靈活,空間分隔容易使用靈活;又利用了剪力墻抗側(cè)剛度較大,在水平力作用下側(cè)向變形較小的優(yōu)點。因此這種結(jié)構(gòu)體系同時具有框架、剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點,是一種適用性很廣的結(jié)構(gòu)形式。
二 、框架剪力墻結(jié)構(gòu)布置原則
框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)布置除應(yīng)符合《高規(guī)》、《抗規(guī)》及其各自的相關(guān)規(guī)則外,框架柱和剪力墻的布置還應(yīng)注意滿足以下幾個要求:
(1)框架剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻的布置一般按照“均勻 、對稱 、分散 、周邊”的原則布置 。
(2)框架剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計成雙向抗側(cè)力體系,抗震設(shè)計時結(jié)構(gòu)兩主軸方向均應(yīng)布置剪力墻。
(3)剪力墻宜貫通建筑物全高,沿高度墻的厚度宜逐漸減薄,避免剛度突變 。
三 、工程概況
某工程位于上海市浦東新區(qū),東北鄰近唐陸路、西北緊靠新金橋路,總建筑面積約為30萬 m2,包括10棟高層,其中E1,E2,A1,A2為12層,B1,B3為10層,B2,C1,C2為11層,兩層地下室及裙房兩層(地下二層部分為人防區(qū),設(shè)計圖紙由其他設(shè)計單位完成),高層的結(jié)構(gòu)形式為框架剪力墻結(jié)構(gòu)。E3為一層局部三層的框架結(jié)構(gòu),±0.000以下連成整體,中間為下沉式廣場,框架的抗震等級三級,剪力墻抗震等級二級;所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度;設(shè)計基本地震加速度為0.10g;設(shè)計地震分組為第一組;場地土類別為Ⅳ類;特征周期: Tg =0.9S; 50年一遇的基本風壓值取0.55kN /m2;地面粗糙度類別為B類;風載體型系數(shù)1.3。本文僅以E1辦公樓為例,下圖為E1框架-剪力墻標準層結(jié)構(gòu)布置圖:
從結(jié)構(gòu)平面布置中可以看出結(jié)構(gòu)的的核心筒偏向一邊,這對于結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)來說非常不利,所以我們可以在不影響建筑使用空間的前提下,在核心筒較遠出布置一些墻肢,同時增大周邊梁的剛度來解決由核心筒偏向一邊而引起的扭轉(zhuǎn)等問題。
四 、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計主要控制要點
1、框架柱傾覆彎矩及0.2Q調(diào)整系數(shù):
(1)框架剪力墻結(jié)構(gòu)中框架柱傾覆彎矩控制及計算:根據(jù)《高規(guī)》第8.1.3條、《抗規(guī)》第6.1.3條規(guī)定,框架剪力墻結(jié)構(gòu),在基本振型地震作用下,框架部分承擔的地震傾覆力矩大于總地震傾覆力矩的50% ,其框架部分的抗震等級應(yīng)按框架結(jié)構(gòu)確定,柱軸壓比限值宜按框架結(jié)構(gòu)采用,其最大適用高度和高寬比限制可比框架結(jié)構(gòu)適當增加。
本工程E1由PKPM計算得出的結(jié)果為:
本工程由PKPM得出的柱傾覆力矩均小于總地震傾覆力矩的50%。此結(jié)構(gòu)為框架剪力墻結(jié)構(gòu)。
(2) 0.2Q0調(diào)整
根據(jù)《抗規(guī)》第6.2.13條規(guī)定,側(cè)向剛度沿豎向分布基本均勻的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)和框架核心筒結(jié)構(gòu),任一層框架部分的地震剪力值,不應(yīng)小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的20%和按框架剪力墻結(jié)構(gòu)、框架核心筒結(jié)構(gòu)計算的框架部分各樓層地震剪力中最大值1.5倍二者的較小值,對于框架剪力墻結(jié)構(gòu),一般由剪力墻吸引了大量的地震力,而框架部分所承擔的地震力較小,其主要目的是為了保證框架部分在地震作用下的抗剪能力。
本工程由PKPM計算得出的結(jié)果為:
本工程各個樓層均按0.2Qox、0.2Qoy進行調(diào)整,各個樓層不滿足上值時均乘以不同的調(diào)整系數(shù)來滿足規(guī)范要求。
2、位移及位移比:
位移比主要為控制結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則性,以避免產(chǎn)生過大的偏心而導致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。見《抗規(guī)》第3.4.2條, 《高規(guī)》第4.3.5條及相應(yīng)的條文說明。位移比不滿足主要是結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則、質(zhì)量與剛度偏心和抗扭剛度太弱引起的,應(yīng)調(diào)整改變結(jié)構(gòu)平面布置,減小結(jié)構(gòu)剛心與形心的偏心距;同時在設(shè)計中,應(yīng)在構(gòu)造措施上予以加強。本工程由于地下室頂板中間有一萬多平米的下沉式廣場整體剛度較弱不能作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端。依據(jù)抗震審查意見為了減少多塔效應(yīng)對地下室頂板的不利影響應(yīng),盡量把首層位移控制在接近1/2000范圍內(nèi),主要通過以下手段使地上一層位移接近1/2000:
1增加地下室剪力墻數(shù)量;
2適當加大底部加強區(qū)核心筒及周邊剪力墻的厚度;
3加大首層梁、柱截面尺寸。
為了保證結(jié)構(gòu)的抗扭剛度,我們又必須保證結(jié)構(gòu)周邊有足夠剛度就需在不影響建筑使用空間的前提下在結(jié)構(gòu)周邊布置剪力墻增加結(jié)構(gòu)周邊的剛度,同時通過加大結(jié)構(gòu)周邊梁的截面尺寸來保證結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。
本工程由PKPM得出的結(jié)果如下:
1)最大位移角(《高規(guī)》第4.6.3條框架—剪力墻最大值層間位移角≤1 /800)
X方向最大值層間位移角: 1 /963 首層位移角:1/1839
Y方向最大值層間位移角: 1 /967 首層位移角:1/1832
2)最大位移比(《高規(guī)》第4.3.5條最大位移層間位移和與層平均值的比值A(chǔ)級高度高層建筑不宜大于1.2,不應(yīng)大于1.5的規(guī)定;B級高度高層建筑不宜大于1.2,不應(yīng)大于1.4的規(guī)定。)
1框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的受力特點及分析
框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是由框架和剪力墻結(jié)構(gòu)兩種不同的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)組成的,所以其框架不同于純框架結(jié)構(gòu)中的框架,剪力墻也不同于剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻。當剛度特征值很小時,剪力墻剛度很大,框架剛度較小,內(nèi)力分配以剪力墻為主,整體變形為彎曲型,此時框架分配的剪力很小,剪力墻可能不出現(xiàn)負剪力,二者協(xié)同工作的性能較差,這種結(jié)構(gòu)更接近于剪力墻結(jié)構(gòu),不能算作雙重抗側(cè)力體系,在我國高規(guī)中的0.2Q的調(diào)整就是針對這種情況,保證框架成為第二道防線;當剛度特征值很大時,框架的剛度相對較大,屬于剪力墻較少的情況,當剪力墻承擔的傾覆力小于50%時,框架部分就應(yīng)該按照純框架結(jié)構(gòu)進行設(shè)計,以保證框架的安全。正常的設(shè)計應(yīng)該是避免上述兩種情況出現(xiàn),使剪力墻的數(shù)量即不過多,也不過少。
2剪力墻的數(shù)量
在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中,結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度主要由同方向各片剪力墻截面彎曲剛度的總和控制,結(jié)構(gòu)的水平位移隨剪力墻截面彎曲剛度增大而減小。一般以滿足結(jié)構(gòu)的水平位移限值作為設(shè)置剪力墻數(shù)量的依據(jù)較為合適??蚣芰航孛娉叽缫话愀鶕?jù)工程經(jīng)驗確定,框架柱截面尺寸可根據(jù)軸壓比要求確定。在初步設(shè)計階段,可根據(jù)房屋底層全部剪力墻截面面積Aw和全部柱截面面積Ac之和與樓面面積Af的比值,或者采用全部剪力墻截面面積Aw與樓面面積Af的比值,來粗估剪力墻的數(shù)量。根據(jù)工程經(jīng)驗,(Aw+Ac)/Af或Aw/Af比值大致位于表1的范圍內(nèi)。層數(shù)多、高度大的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系,宜取表中的上限值。
(Aw+Ac)/Af或Aw/Af比值的大致取值范圍表1
設(shè)計條件 (Aw+Ac)/Af Aw/Af
3剪力墻的布置
(1)為了增強整體結(jié)構(gòu)的抗扭能力,彌補結(jié)構(gòu)平面形狀凹凸引起的薄弱部位,減小剪力墻設(shè)置在房屋而受室內(nèi)外溫度變化的不利影響,剪力墻宜均勻布置在建筑物的周邊附近(第一內(nèi)跨)、樓梯間、電梯間、平面形狀變化或恒載較大的部位,剪力墻的間距不宜過大(高規(guī)表8.1.8);平面形狀凹凸較大時,宜在凸出部分的端部附近布置剪力墻。
(2)縱、橫向剪力墻宜組成L形、T形和匚形等形式,以使縱墻(橫墻)可以作為橫墻(縱墻)的翼緣,從而提高其剛度、承載力和抗扭能力;樓、電梯間等豎井宜盡量與靠近的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)結(jié)合布置,以增強其空間剛度和整體性。
(3)剪力墻布置不宜過分集中,單片剪力墻底部承擔的水平剪力不宜超過結(jié)構(gòu)底部總剪力的40%,以免結(jié)構(gòu)的剛度中心與房屋的質(zhì)量中心偏離過大、墻截面配筋過多以及不合理的基礎(chǔ)設(shè)計。當剪力墻墻肢截面高度過大時,可通過開門窗洞口或施工洞形成聯(lián)肢墻(一般不超過8m)。
(4)剪力墻宜貫通建筑物全高,避免剛度突變;剪力墻開洞時,洞口宜上、下對齊??拐鹪O(shè)計時,剪力墻的布置宜使結(jié)構(gòu)各主軸方向的側(cè)向剛度接近。
(5)在長矩形平面中,如果兩片橫向剪力墻的間距過大,或兩墻之間的樓蓋開大洞時,樓蓋在自身平面內(nèi)的變形過大,不能保證框架與剪力墻協(xié)同工作,框架承受的剪力將增大;如果縱向剪力墻集中布置在房屋兩端,中間部分樓蓋受到兩端剪力墻的約束,在混凝土收縮或溫度變化時容易出現(xiàn)裂縫。
4剪力墻的厚度的初步估算
剪力墻的厚度可參照表2確定,表中n為墻體水平截面所在高度以上的樓層數(shù)??拐鹨?guī)范對剪力墻高厚比的規(guī)定不是必須遵循的,當不滿足時可依據(jù)高規(guī)的規(guī)定進行穩(wěn)定性驗算,設(shè)計經(jīng)驗表明,高厚比驗算的結(jié)果一般均能滿足要求。
剪力墻的最小厚度表2
結(jié)構(gòu)體系 剪力墻最小厚度/mm
剪力墻結(jié)構(gòu) 10n及160的較大值
框架-剪力墻 12n及200的較大值
實際工程設(shè)計中,為使剪力墻的設(shè)置合理有效,建議按下列步驟進行:
(1)首先估算出框架部分的抗側(cè)剛度,而后按照滿足規(guī)范規(guī)定的層間位移角為原則反算出所需剪力墻的最小剛度,按此初步布置剪力墻。
(2)按單項地震作用但不考慮偶然偏心的情況進行結(jié)構(gòu)計算,如計算得到的最大扭轉(zhuǎn)位移比為1.0,則說明結(jié)構(gòu)的剛度中心與質(zhì)量中心一致。當最大扭轉(zhuǎn)位移比較大時,應(yīng)對結(jié)構(gòu)布置進行調(diào)整,使最大扭轉(zhuǎn)位移比接近1.0,以減小質(zhì)量中心與剛度中心之間的偏差。
(3)按單項地震作用且考慮偶然偏心的情況進行結(jié)構(gòu)計算,如扭轉(zhuǎn)位移比較大,則說明結(jié)構(gòu)的抗扭剛度或某些部位的抗側(cè)剛度偏小,需要調(diào)整剪力墻的布置。
(4)如有必要,可按雙向地震作用但不考慮偶然偏心計算,如扭轉(zhuǎn)位移比較大,仍需根據(jù)具體情況對剪力墻的布置做出調(diào)整。
(5)上述各種工況計算時,如發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)周期偏長,則說明結(jié)構(gòu)抗扭剛度偏小,應(yīng)采取加大抗扭剛度的措施。
5工程實例
某辦公樓結(jié)構(gòu)平面布置見圖1,本工程為地上11層,地下2層的鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu),地下室至地上層2頂板范圍內(nèi)為剪力墻底部加強區(qū);建筑總高度為45.800m;建筑抗震設(shè)防類別為丙類,抗震設(shè)防烈度為8度,0.2g,第一組;建筑場地類別為Ⅲ類;鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震等級為框架二級,剪力墻一級。
圖1結(jié)構(gòu)平面布置圖
目前,判斷整體計算結(jié)果是否合理的主要依據(jù)是高規(guī)用于控制結(jié)構(gòu)整體性的主要指標:適用高度和高寬比、周期比、位移比、剛度比、層間受剪承載力比、剛重比、剪重比等。然而這些參數(shù)在計算前很難估計,需要經(jīng)過試算才能得到。
(1)結(jié)構(gòu)基本周期是計算風荷載的重要指標。周期的大小與結(jié)構(gòu)在地震中的反應(yīng)有著密切關(guān)系,最基本的是不能與場地的卓越周期一致(一般要大于場地的特征周期),否則會發(fā)生共振。一般情況下,多層和高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基本自振周期T1(用于風振計算)可按下列公式估算:框架結(jié)構(gòu)T1=(0.08~0.1)n;框架-剪力墻和框架-核心筒結(jié)構(gòu)T1=(0.06~0.08)n;剪力墻和筒中筒結(jié)構(gòu)T1=0.05n。n為結(jié)構(gòu)層數(shù)(40層以上的建筑可能有較大差別)。如果周期偏離上述數(shù)值太遠,應(yīng)當考慮工程剛度是否合適,必要時調(diào)整結(jié)構(gòu)截面尺寸。如果結(jié)構(gòu)截面尺寸和結(jié)構(gòu)布置正常,無特殊情況而計算周期相差太遠,應(yīng)檢查輸入數(shù)據(jù)有無錯誤。
(2)振型組合數(shù)是在做抗震計算時考慮振型的數(shù)量。該值取值太小不能正確反映模型應(yīng)當考慮的振型數(shù)量,使計算結(jié)果失真;取值太大,不僅浪費時間,還可能使計算結(jié)果發(fā)生畸變。必須指出的是,結(jié)構(gòu)的振型組合數(shù)并不是越大越好,其最大值不能超過結(jié)構(gòu)的總自由度數(shù)。例如,對采用剛性板假定的單塔結(jié)構(gòu),考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)作用時,其振型不得超過結(jié)構(gòu)層數(shù)的3倍。
(3)耦聯(lián)計算時,底層剪重比也應(yīng)該在合理范圍內(nèi)。對于第一周期小于3.5s的結(jié)構(gòu),一般為:7度、II類土:剪重比為1.6%~2.8%;8度、II類土:剪重比為3.2%~5%。
(4)正常計算結(jié)果的振型曲線多為連續(xù)光滑曲線,當沿豎向有非常明顯的剛度和質(zhì)量突變時,振型曲線可能有不光滑的畸變點。豎向剛度、質(zhì)量變化較均勻的結(jié)構(gòu),在外力的作用下,其內(nèi)力、位移等計算結(jié)果自上而下也應(yīng)均勻變化,不應(yīng)有較大的突變,否則,應(yīng)檢查結(jié)構(gòu)截面尺寸或者輸入的數(shù)據(jù)是否正確、合理。
(5)柱、墻等豎向受力構(gòu)件的計算軸力N基本符合柱、墻受荷面積A與近似應(yīng)力q的乘積。即N=qA。q為單位面積重力荷載,對于框架結(jié)構(gòu)約為12~14kN/m2,對于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)約為13~15kN/m2,
對于剪力墻結(jié)構(gòu)和筒體結(jié)構(gòu)約為14~16kN/m2。
(6)地震作用方向不同,結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的大小也各不相同,那么必然存在某各角度使得結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)值最大,這個方向為最不利地震作用方向,也即最大地震力作用方向。設(shè)計軟件可以自動計算出最大地震力作用方向并在計算書中輸出,設(shè)計人員如發(fā)現(xiàn)該角度絕對值大于15°,應(yīng)將該數(shù)值回填到軟件的“水平力與整體坐標夾角”選項里并重新計算,以體現(xiàn)最不利地震作用方向的影響(逆時針為正)。對于構(gòu)件計算,則可以輸入“斜交抗側(cè)力構(gòu)件附加地震數(shù)”來實現(xiàn)。
1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中剪力墻結(jié)構(gòu)概念方案布置
剪力墻結(jié)構(gòu)概念方案布置是剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的首要前提,方案布置的合理性與否對整個工程造價影響甚大,因此以下對剪力墻結(jié)構(gòu)布置作簡要分析。
剪力墻平面布置宜沿兩主軸方向雙向布置,盡量均勻、對稱布置,兩主軸方向剛度盡量相近。過于集中布置剪力墻可能導致結(jié)構(gòu)剛度中心與荷載重心偏差較大,從而產(chǎn)生較為嚴重的扭轉(zhuǎn)效應(yīng);過于分散布置剪力墻則會導致剛度分布不均勻及梁板跨度加大,一方面會增加結(jié)構(gòu)自重,加大地震作用效應(yīng),從而增加工程造價;另一方面,剪力墻間距過大,以致某片墻承擔荷載過大,軸壓比加大從而影響剪力墻延性設(shè)計。還有結(jié)構(gòu)角部及結(jié)構(gòu)開洞后形成凹凸不規(guī)則均屬抗震扭轉(zhuǎn)薄弱部位,易產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)變形從而導致扭轉(zhuǎn)破壞。因此在考慮剪力墻的平面布置時,應(yīng)單獨對角部及開洞周圍進行局部加強。在平面角部盡量布置L 形墻肢,還可采設(shè)置端柱及轉(zhuǎn)角部位樓板中設(shè)置暗梁等構(gòu)造措施進行加強,以達到提高其扭轉(zhuǎn)剛度的目的。剪力墻豎向布置宜沿房屋高度通高布置、上下對齊、連續(xù)布置,墻厚及墻長沿高度宜均勻變化,以達到豎向剛度逐漸變小,從而能夠有效避免豎向剛度發(fā)生突變情況。這樣既經(jīng)濟又能滿足承載力、側(cè)向變形的要求。
因此剪力墻布置的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個結(jié)構(gòu)合理性及經(jīng)濟性?,F(xiàn)如今結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計必須考慮的因素。如何在滿足安全的前提下,將有限的資源物盡其用,是值得我們結(jié)構(gòu)工程師所思考的問題。所以在剪力墻布置合理前提下盡量經(jīng)濟,節(jié)約成本,減少工程造價。對結(jié)構(gòu)的重點、關(guān)鍵部位或計算模型與實際情況有出入部位,至少采用兩種不同的結(jié)構(gòu)計算軟件進行分析計算,然后進行包絡(luò)設(shè)計且在構(gòu)造上給予加強。在概念方案布置前期,結(jié)構(gòu)設(shè)計師應(yīng)與建筑師緊密配合,初步確定一個比較合理的布置方案,避免出現(xiàn)不規(guī)則或嚴重不規(guī)則的平立面,達到技術(shù)先進,安全適用、經(jīng)濟合理的設(shè)計方案,實現(xiàn)降低總體造價的目的。
2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中剪力墻結(jié)構(gòu)受力分析
剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計有著自己的設(shè)計規(guī)則及原理。由于剪力墻通常情況下高度、寬度要比厚度大很多,因此其何特征像板, 但與板有很大的差別,板是按受彎構(gòu)件計算,剪力墻是按壓彎構(gòu)件計算。因此在進行其結(jié)構(gòu)設(shè)計分析時就需要考慮到其具體的設(shè)計差別。此外還包括剪力墻的肢長、墻厚度范圍有著自身的特性,因此當墻肢截面高度與厚度之比hw/tw ≤ 4 時,應(yīng)按框架柱結(jié)構(gòu)設(shè)計;當hw/tw>8 時為一般剪力墻;當4 ≤ hw/tw ≤ 8 時短肢剪力墻,這也是剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則之一。剪力墻結(jié)構(gòu)是由一系列縱向、橫向剪力墻與梁、板所組成的空間結(jié)構(gòu)。其主要承受兩類荷載:一類是豎向荷載,豎向荷載主要是梁板傳來的恒載、活載、剪力墻身自重及豎向地震作用;另一類是水平荷載,主要為水平風荷載和水平地震作用。剪力墻的內(nèi)力、變形分析包括承載能力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)下分析。在承載能力極限狀態(tài)下,剪力墻在各種工況下不致破壞,能夠安全地承受重力荷載作用。在正常使用極限狀態(tài)下,結(jié)構(gòu)變形滿足規(guī)范要求,結(jié)構(gòu)耐久性也滿足設(shè)計要求。剪力墻的變形主要是彎曲變形,框架結(jié)構(gòu)的變形主要是剪切變形。
為了使剪力墻實現(xiàn)彎曲破壞的延性破壞模式,《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》簡稱高規(guī),規(guī)定墻長不宜大于8m。實際上影響剪力墻破壞模式的兩個主要因素是剪跨比和軸壓比,只要剪跨比>2,且軸壓比不超過規(guī)范規(guī)定限值,能夠?qū)崿F(xiàn)延性的破壞模式。當剪力墻墻長大于8m 時,盡量在墻中部開洞形成雙墻肢,通過弱連梁連接。這樣剪跨比一般也會大于2,即能滿足延性破壞的需求。在地震作用下通過連梁來耗能,連梁端部首先進入塑性變形,形成塑性鉸,這樣連梁起到第一道抗震防線的作用。
3 連梁設(shè)計
高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)中,由于開間不大或墻長較長時開洞后形成連梁,若兩墻肢之間出現(xiàn)跨高比較小的連梁時,在計算過程中,容易產(chǎn)生連梁抗剪超限的情況,通常有以下幾種解決方案:①增大截面,可以提高連梁自身的抗剪能力,但隨著連梁剛度增加相應(yīng)內(nèi)力也增加,其對抗剪能力的提高是有限的。在梁寬一定的情況下,通過加高連梁梁高的方法;在梁高一定的情況下,也可以通過加寬梁寬,加寬截面卻對連梁剛度的貢獻較小,僅為線性關(guān)系,使得抗剪力的提高值僅大于分擔剪力的增加值。②調(diào)整設(shè)計內(nèi)力,在增大連梁截面對提高抗剪能力沒有效果的情況下,可以通過人為的內(nèi)力調(diào)整,對連梁剛度進行折減,控制剪力分配比,解決連梁抗剪問題。最簡單的調(diào)控方法是在計算參數(shù)選取時,調(diào)整連梁剛度折減系數(shù),僅對內(nèi)力配筋計算時才能采用。在整體計算及非地震荷載作用下,連梁剛度不予折減,這時連梁應(yīng)具備足夠的抗彎和抗剪承載能力,以滿足正常使用的要求。對于跨高比大于5 的連梁,應(yīng)按框架梁設(shè)計,且必須滿足框架梁各項要求。③也可設(shè)水平縫形成雙連梁、多連梁或采取其他加強受剪承載力的構(gòu)造措施,譬如設(shè)置交叉暗撐等措施來提高連梁抗剪承載力。
4 結(jié)語
隨著我國國民經(jīng)濟整體水平的持續(xù)提高和建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)展速度的持續(xù)加快,高層建筑將是現(xiàn)代建筑的主流。剪力墻結(jié)構(gòu)因側(cè)向剛度大,側(cè)向變形小等優(yōu)點,因而被廣泛應(yīng)用于高層建筑中。所以掌握好剪力墻結(jié)構(gòu)受力特點,把握好剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則,剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計就會更加經(jīng)濟合理。因此建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)對剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計原理有著清晰的理解,從而能夠在此基礎(chǔ)上通過不斷設(shè)計實踐的進行來促進我國建筑工程整體設(shè)計水平的有效提高。
參考文獻:
在現(xiàn)代高層建筑的施工設(shè)計中,采用剪力墻結(jié)構(gòu)作為建筑的主體結(jié)構(gòu)是一種較為常見的結(jié)構(gòu)設(shè)計形式。尤其是隨著建筑規(guī)模的擴大以及建筑功能需求的增多,剪力墻的設(shè)計長度越來越大,一般而言,當剪力墻的墻體連續(xù)長度超過6m時,就應(yīng)當按照剪力墻長墻的有關(guān)規(guī)定進行設(shè)計施工。在剪力墻長墻的設(shè)計施工中,防止墻體出現(xiàn)裂縫是其中最關(guān)鍵的設(shè)計環(huán)節(jié),也是最難把握的設(shè)計難點。筆者以某工程為例,在結(jié)合自身工作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的剪力墻長墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量控制進行了探討。
1、工程概況
某高層商住樓建筑, 地上部分2O層,采用框架一剪力墻結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)主體澆筑至第4層時,發(fā)現(xiàn)從地面1到3層均在同一部位出現(xiàn)同一形狀的裂縫,裂縫為剪力墻端部倒八字形的斜裂縫,出現(xiàn)在建筑物平面東端的剪力長墻上, 由剪力墻暗柱根部斜向上發(fā)展,寬度一般0.1一O.3mm,個別可達0.4―0.6mm,在其余部位(包括剪力墻筒體)末發(fā)現(xiàn)裂縫。
2、剪力墻長墻出現(xiàn)裂縫的影響因素
在剪力墻長墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計施工中,對于裂縫的防治控制是直接影響到建筑的整體施工質(zhì)量的。而在本工程中長墻出現(xiàn)了裂縫,表明在設(shè)計施工中存在著一定的問題與缺陷,找出這些問題與缺陷對于采取有效措施解決問題,從而提高剪力墻結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量來講是很有必要的。筆者在對施工現(xiàn)場進行了詳細觀測與分析后,認為本工程中剪力墻長墻出現(xiàn)裂縫的主要影響因素是因混凝土產(chǎn)生收縮變形,在柱墻以及樓板、框梁的約束作用下而產(chǎn)生的收縮裂縫。具體的原因分析如下所示:
2.1經(jīng)調(diào)查,在本工程的施工設(shè)計中,所選用的混凝土為C50的高強混凝土,并采用泵送的方式進行混凝土澆筑。為了能夠提高墻體的強度,設(shè)計人員在混凝土的配制中加入了一定的高效減水劑,并增大了水泥的使用量,減少了水灰比的比例,以此來保證混凝土的塌落度能夠符合要求。但在實際的混凝土硬化過程中,如果沒有足夠的水分補給,在水泥水熱化的作用下是很容易出現(xiàn)收縮裂縫的。在剪力墻的長墻施工中,由于墻體長度較大,混凝土的收縮應(yīng)力更明顯,極易產(chǎn)生豎向裂縫或者端部斜向裂縫。
2.2在剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計中,對于剪力墻結(jié)構(gòu)的約束設(shè)計較大,使得構(gòu)件之間承受了各種約束力,嚴重影響了各個構(gòu)件自身的變形能力,因而極易因變形不協(xié)調(diào)而出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象。
2.3由于剪力墻結(jié)構(gòu)為豎向構(gòu)件,因而在對混凝土進行養(yǎng)護時較為困難,而施工中又因加趕施工進度而過早的拆除模板,使得墻體更早的暴露在空氣中,混凝土的干縮加快,也是產(chǎn)生裂縫的主要原因。
2.4在設(shè)計中對于剪力墻的厚度設(shè)計較大,但對墻體內(nèi)的水平筋配置卻很少,這中設(shè)計手法雖然滿足了有關(guān)規(guī)定的要求,但在實際的應(yīng)用中,水平筋并沒有發(fā)揮其應(yīng)有的對斜裂縫的抑制作用。
3、從裂縫談剪力墻長墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計
由上述分析可以看出,若在剪力墻長墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計中不能全面考慮到長墻的結(jié)構(gòu)特點,就極易出現(xiàn)墻體裂縫,影響剪力墻結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量,為此,必須要加強結(jié)構(gòu)設(shè)計,防止剪力墻長墻裂縫的發(fā)生。
3.1概念設(shè)計方面。剪力長墻宜盡量避免直線型式,應(yīng)避免結(jié)構(gòu)突變(或斷面突變)產(chǎn)生的應(yīng)力集中,導致的應(yīng)力集中裂縫。當不能避免斷面突變時,應(yīng)作局部處理,做成逐漸變化的過渡形式,同時加配鋼筋。結(jié)構(gòu)設(shè)計時,應(yīng)加強概念設(shè)計,構(gòu)件布置盡量均勻,形體盡量規(guī)則,避免局部過剛和應(yīng)力集中,有利于減少剪力墻裂縫的出現(xiàn)。
3.2剪力墻水平筋的配置要求。剪力墻的水平分布鋼筋,在剪力墻內(nèi)主要起抗剪作用, 限制斜裂縫的開展,防止剪力墻的脆性破壞。在墻板結(jié)構(gòu)中,采取增配水平構(gòu)造鋼筋的措施,使構(gòu)造鋼筋起到溫度筋的作用,能有效地提高混凝土的抗裂性能。剪力墻水平分布鋼筋的位置在結(jié)構(gòu)構(gòu)造中對產(chǎn)生裂縫也起著很重要的作用。水平分布鋼筋應(yīng)位于豎向鋼筋的外側(cè),這種布置方式有利于抵抗溫度應(yīng)力的作用, 可以有效地減小混凝土保護層的厚度,增強剪力墻表層混凝土的抗裂性。
3.3剪力墻豎向筋的配置要求。剪力墻豎向分布鋼筋,在剪力墻內(nèi)主要起抗彎作用, 限制水平裂縫的開展。設(shè)計時按正截面強度計算確定,并應(yīng)滿足構(gòu)造要求。另外,在結(jié)構(gòu)使用階段也可限制斜裂縫的開展。結(jié)構(gòu)設(shè)計時,在滿足計算和構(gòu)造要求的基礎(chǔ)上可適當提高剪力墻豎向分布鋼筋的配筋率,尤其是在溫度、收縮應(yīng)力較大的部位,結(jié)構(gòu)全截面的配筋率不宜小于0.35%,間距不應(yīng)大于200ram。這樣對混凝土裂縫的開展將起著有效的限制作用。
3.4剪力墻長墻中暗梁、暗柱的設(shè)置。剪力墻長墻中暗梁與暗柱(或明柱)一起,對剪力墻混凝土起著套箍的作用,共同約束剪力墻混凝土,限制裂縫的開展。暗梁的配筋,按構(gòu)造要求設(shè)置, 暗梁常常設(shè)置在樓層位置處,這樣當樓板中有次梁壓在其中時,還可起到梁墊的作用;當剪力墻高度較大時,還可以在中間增設(shè)一道暗梁。在剪力墻長墻的中間位置, 可以增設(shè)構(gòu)造暗柱,這樣使得剪力墻增加了約束,從而有效減小墻體產(chǎn)生的收縮應(yīng)力。
3.5剪力長墻上增開結(jié)構(gòu)小洞或留置后澆帶。在剪力墻長墻上增開結(jié)構(gòu)小洞,通過開洞把長墻變成短墻,減少混凝土收縮變形的約束,使混凝土收縮應(yīng)力得到釋放,從而達到控制墻體裂縫的目的。這種方法,必需按墻上有小洞的計算模型對結(jié)構(gòu)進行計算,確保結(jié)構(gòu)的安全。在剪力墻長墻上留置施工后澆帶,通過留置后澆帶把長墻變成實質(zhì)上的短墻形式,使得剪力長墻先釋放了一部分溫差收縮應(yīng)力。當后澆帶兩側(cè)的剪力墻混凝土收縮變形趨于穩(wěn)定時,再封閉后澆帶,從而避免了因溫差收縮應(yīng)力引起的裂縫。
3.6剪力墻長墻抗裂結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則
1.框架剪力墻結(jié)構(gòu)及其優(yōu)點
框架剪力墻結(jié)構(gòu)是框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)兩種體系的結(jié)合,吸取了各自的長處。眾所周知,框架結(jié)構(gòu)的變形是剪切型,上部層間相對變形小,下部層間相對變形大。剪力墻結(jié)構(gòu)的變形為彎曲型,上部層間相對變形大,下部層間相對變形小。對于框架剪力墻結(jié)構(gòu),由于兩種結(jié)構(gòu)協(xié)同工作變形協(xié)調(diào),形成了彎剪變形,從而減小了結(jié)構(gòu)的層間相對位移比和頂點位移比,使結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度得到了提高。從受力特點看,由于框架剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻側(cè)向剛度比框架的側(cè)向剛度大得多,在水平荷載作用下,一般情況下,受力80%以上用剪力墻來承擔。因此,使框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下所分配的樓層剪力,沿高度分布比樣均勻,各層梁柱的彎矩比較接近,有利于減小梁柱規(guī)格,便于施工。
2. 框架和剪力墻的布置應(yīng)滿足下列要求:
1) 框架剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計成雙向抗側(cè)力體系,主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間不宜采用鉸接??拐鹪O(shè)計時,兩主軸方向均應(yīng)布置剪力墻。梁與柱或柱與剪力墻的中線宜重合,框架的梁與柱中線之間的偏心距不宜大于柱寬的1/4。
2)框架剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻的布置一般按照“均勻、對稱、分散、周邊”的原則布置:
① 剪力墻宜均勻?qū)ΨQ地布置在建筑物的周邊附近、樓電梯間、平面形狀變化及恒載較大的部位;在伸縮縫、沉降縫、防震縫兩側(cè)不宜同時設(shè)置剪力墻。
② 平面形狀凹凸較大時,宜在凸出部分的端部附近布置剪力墻。
③ 剪力墻布置時,如因建筑使用需要,縱向或橫向一個方向無法設(shè)置剪力墻時,該方向可采用壁式框架或支撐等抗側(cè)力構(gòu)件,但是,兩方向在水平力作用下的位移值應(yīng)接近。壁式框架的抗震等級應(yīng)按剪力墻的抗震等級考慮。
④ 剪力墻的布置宜分布均勻,單片墻的剛度宜接近,長度較長的剪力墻宜設(shè)置洞口和連梁形成雙肢墻或多肢墻,單肢墻或多肢墻的墻肢長度不宜大于8 m。每段剪力墻底部承擔水平力產(chǎn)生的剪力不宜超過結(jié)構(gòu)底部總剪力的40%。
⑤ 縱向剪力墻宜布置在結(jié)構(gòu)單元的中間區(qū)段內(nèi)。房屋縱向長度較長時,不宜集中在兩端布置縱向剪力墻,否則在平面中適當部位應(yīng)設(shè)置施工后澆帶以減少混凝土硬化過程中的收縮應(yīng)力影響,同時應(yīng)加強屋面保溫以減少溫度變化產(chǎn)生的影響。
⑥ 樓梯間、豎井等造成連續(xù)樓層開洞時,宜在洞邊設(shè)置剪力墻,且盡量與靠近的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)結(jié)合,不宜孤立地布置在單片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)或柱網(wǎng)以外的中間部分。
⑦ 剪力墻間距不宜過大,應(yīng)滿足樓蓋平面剛度的要求,否則應(yīng)考慮樓蓋平面變形的影響。
3)框架剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻,宜設(shè)計成周邊有梁柱(或暗梁柱)的帶邊框剪力墻??v橫向相鄰剪力墻宜連接在一起形成L形、T形及口形等,以增大剪力墻的剛度和抗扭能力。
4) 剪力墻宜貫通建筑物全高,沿高度墻的厚度宜逐漸減薄,避免剛度突變。當剪力墻不能全部貫通時,相鄰樓層剛度的減弱不宜大于30%,在剛度突變的樓層板應(yīng)按轉(zhuǎn)換層樓板的要求加強構(gòu)造措施。
3. 剪力墻的布置要點
1)剪力墻宜沿主軸方向或其他方向雙向或多向布置,不同方向的剪力墻宜分別聯(lián)結(jié)在一起,應(yīng)盡量拉通、對直,以具有較好的空間工作性能;抗震設(shè)計時,應(yīng)避免僅單向有墻的結(jié)構(gòu)布置形式,宜使兩個方向側(cè)向剛度接近,兩個方向的自振周期宜相近。剪力墻平面布置應(yīng)盡可能做到規(guī)則,避免過大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。
2)剪力墻的側(cè)向剛度及承載力均較大,為充分利用剪力墻的能力,減輕結(jié)構(gòu)自重,增大結(jié)構(gòu)的可利用空間,剪力墻不宜布置得太密,使結(jié)構(gòu)具有適宜的側(cè)向剛度;若側(cè)向剛度過大,不僅加大自重,還會使地震力增大,對結(jié)構(gòu)受力不利。
3)剪力墻宜自下到上連續(xù)布置,避免剛度突變;允許沿高度改變墻厚和混凝土強度等級,或減少部分墻肢,使側(cè)向剛度沿高度逐漸減小。剪力墻沿高度不連續(xù),將造成結(jié)構(gòu)沿高度剛度突變,對結(jié)構(gòu)抗震不利。
4)細高的剪力墻(高寬比大于2)容易設(shè)計成彎曲破壞的延性剪力墻,從而可避免發(fā)生脆性的剪切破壞。因此,當剪力墻的長度很長時,為了滿足每個墻段高寬比大于2的要求,可通過開設(shè)洞口將長墻分成長度較小、較均勻的若干獨立墻段,每個獨立墻段可以是整截面墻,也可以是聯(lián)肢墻,墻段之間宜采用弱連梁連接(如樓板或跨高比大于6的連梁),因弱連梁對墻肢內(nèi)力的影響可以忽略,則可近似認為分成了若干獨立墻段。此外,當墻段長度較小時,受彎產(chǎn)生的裂縫寬度較小,而且墻體的配筋又能充分地發(fā)揮作用,因此墻段的長度不宜大于8m。
5)剪力墻洞口的布置,會極大地影響剪力墻的力學性能。為此規(guī)定剪力墻的門窗洞口宜上下對齊,成列布置,能形成明確的墻肢和連梁,應(yīng)力分布比較規(guī)則,又與當前普遍應(yīng)用的計算簡圖較為符合,設(shè)計結(jié)果安全可靠。
4.設(shè)計框架剪力墻結(jié)構(gòu)房屋應(yīng)注意的三個問題
1)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中柱、墻總的剛度比大小決定了對框架受力的考慮。當框架結(jié)構(gòu)中僅在樓電梯間或其他部位布置少量鋼筋混凝土剪力墻時,結(jié)構(gòu)分析應(yīng)考慮該剪力墻與框架的協(xié)同工作,此時應(yīng)采取措施減小此種剪力墻的作用,增加與剪力墻相連柱的配筋,這些措施包括將此種剪力墻減薄、開豎縫、開結(jié)構(gòu)洞、配置少量單排鋼筋等。此時結(jié)構(gòu)形式按框架結(jié)構(gòu)確定,按框架結(jié)構(gòu)體系的要求進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。
2)當剪力墻布置較少剛度偏小時,在基本振型地震作用下,其框架部分承受的地震傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%,框架是主要的抗側(cè)力構(gòu)件,必須保證其各方面的承載能力。規(guī)范規(guī)程要求其框架部分的抗震等級按框架結(jié)構(gòu)確定;柱軸壓比限值宜按框架結(jié)構(gòu)的規(guī)定采用;最大適用高度和高寬比限值可比框架結(jié)構(gòu)適當放松,放松的幅度可視剪力墻的數(shù)量及剪力墻承受的地震傾覆力矩來確定。當框架剪力墻結(jié)構(gòu)布置足夠的剪力墻時,即在基本振型地震作用下,框架承受的地震傾覆力矩小于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%時,其框架部分則屬于“次要抗側(cè)力構(gòu)件”,框架部分的抗震等級按框架剪力墻結(jié)構(gòu)的規(guī)定來劃分。
3)當剪力墻布置較多剛度過大而使框架受力過小時,需把框架部分予以加強?!陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2002規(guī)定“任一層框架部分的地震剪力不應(yīng)小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的20%和結(jié)構(gòu)整體分析中框架部分各樓層地震力最大值的1.5倍二者較小值”。此時框架是第二道抗震防線,為了不使框架部分過早出現(xiàn)塑性鉸,必須給予它一定的抗震能力。
框架剪力墻結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)相比,由于抗側(cè)能力大大提高,剛度增加,地震力作用下側(cè)移小,是抗震性能較好的結(jié)構(gòu)體系。雖然地震力主要由剪力墻承擔,但設(shè)計要求框架承擔一定比例的地震力,是抗震的第二道防線??傊?,該種結(jié)構(gòu)具有使用靈活、剛度大、抗震性能好的特點,因此得到了廣泛的應(yīng)用。
5. 如何解決與剪力墻相連的框架梁超筋現(xiàn)象
應(yīng)首先分析產(chǎn)生本問題的原因,去掉地震力計算,如不再出現(xiàn)這個問題,那就是地震力產(chǎn)生的,可以保證正常使用狀態(tài)下的梁配筋,按不計算地震力計算結(jié)果配筋,然后計算地震力時點鉸,將地震力效應(yīng)轉(zhuǎn)移;如不計算地震力時結(jié)果仍然超筋,那就不是地震效應(yīng),而是程序計算產(chǎn)生的問題;這個恐怕是PKPM程序的弊病,而產(chǎn)生這個結(jié)果的原因就是框架柱豎向剛度小,豎向變形大,而剪力墻豎向剛度大,豎向變形小,梁配筋就是剪力墻端負筋超大,框架柱端正筋較大;解決這個問題只有加大梁截面,滿足計算結(jié)果;或者是增加柱截面減小柱豎向變形。