高層剪力墻結(jié)構(gòu)墻肢拉應(yīng)力的分析與設(shè)計(jì)處理

高層剪力墻結(jié)構(gòu)墻肢拉應(yīng)力的分析與設(shè)計(jì)處理[摘要]高層建筑結(jié)構(gòu)中越來越多的出現(xiàn)了墻肢受拉，如何正確分析和處理墻肢受拉對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響尤為重要，本文通過對(duì)墻肢受拉概念的理解和分析，以實(shí)際工程為例，詳細(xì)的闡述了墻肢受拉的判斷分析和處理方法。[關(guān)鍵詞]墻肢拉應(yīng)力；平面內(nèi)；平面外；零應(yīng)力區(qū)1.前言隨著城市建設(shè)的發(fā)展，高層建筑越來越多的出現(xiàn)。在高烈度區(qū)，大多數(shù)高層住宅采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系，剪力墻墻肢時(shí)常出現(xiàn)受拉情況，但墻肢受拉處理并沒有引起重視，墻肢受拉直接影響著結(jié)構(gòu)的安全，如何正確判斷墻肢受拉，分析其危害的大小以及如何處理墻肢受拉顯得極其重要。本文通過對(duì)墻肢受拉概念的理解和分析，以工程實(shí)例為基礎(chǔ)，定性的判斷受拉類別，定量的分析處理墻肢拉力。2.墻肢受拉定義所謂墻肢受拉，就是墻肢截面上各荷載工況組合后墻肢出現(xiàn)了拉力。當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度值時(shí)，說明墻肢已經(jīng)出現(xiàn)了裂縫，如該墻肢參與抗剪時(shí)，直接影響了墻肢的抗剪能力。當(dāng)存在墻肢小偏心受拉情況時(shí)，應(yīng)按《高規(guī)》7.2.4條規(guī)定[1]，抗震設(shè)計(jì)的雙肢剪力墻，其墻肢不宜出現(xiàn)小偏心受拉；當(dāng)任一墻肢為偏心受拉時(shí)，另一墻肢的彎矩設(shè)計(jì)值及剪力設(shè)計(jì)值應(yīng)乘以增大系數(shù)1.25，提高周邊墻肢抗剪承載力要求。圖1墻肢受拉模型簡圖從墻肢抗拉模型分析中，可以看到：墻肢受拉的考慮，是一個(gè)整體三維模型，如圖1。W（恒載和活載）使墻肢截面出現(xiàn)壓力，而ω（風(fēng)荷載）和H（地震力）將可能使墻肢截面出現(xiàn)拉力。當(dāng)W（恒載和活載），ω（風(fēng)荷載）和H（地震力）組合后，墻肢將可能處于受拉狀態(tài)。墻肢出現(xiàn)拉力分兩種情況：一、地震力方向與墻肢截面高度平行，墻肢所受拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，出現(xiàn)裂縫，使墻肢抗剪能力嚴(yán)重衰退，對(duì)抗震極其不利。如圖2墻肢a。二、地震力方向與墻肢截面高度垂直，墻肢并不抵抗地震力，地震力是由與之平行的墻肢抵抗，所以此類墻肢受拉，混凝土開裂后并不會(huì)對(duì)墻肢抗剪產(chǎn)生影響，如圖2墻肢b。圖2墻肢示意3.墻肢受拉處理辦法首先，通過JCCAD讀取SATWE數(shù)據(jù)，讀取荷載組合值，找到墻肢受拉的位置，然后，根據(jù)墻肢受拉位置，提取墻肢各工況下內(nèi)力信息，組合恒載，活載，地震力，風(fēng)荷載等，定性的判斷出墻肢受拉是面內(nèi)還是面外水平力引起的。最后，根據(jù)受拉墻肢面積，計(jì)算墻肢平均拉應(yīng)力值，如墻肢拉應(yīng)力值小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，可不做處理，認(rèn)為混凝土未開裂，安全可靠。如墻肢平均拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，混凝土開裂，則應(yīng)判斷是墻肢面內(nèi)方向地震力和風(fēng)荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力，還是墻肢面外方向地震力和風(fēng)荷載產(chǎn)生的拉力。當(dāng)為面內(nèi)方向地震力和風(fēng)荷載產(chǎn)生的拉力，墻肢除配置足夠數(shù)量的縱向鋼筋抵抗拉力外，還應(yīng)根據(jù)高規(guī)7.2.4條要求提高周邊墻肢的抗剪承載力。當(dāng)為面外方向地震力和風(fēng)荷載產(chǎn)生的拉力，只需在墻肢中配置足夠數(shù)量的鋼筋抵抗拉力即可。4.“零應(yīng)力區(qū)”與墻肢受拉的關(guān)系[2]所謂零應(yīng)力區(qū)的概念，是指在地震作用下基礎(chǔ)底面出現(xiàn)脫離區(qū)，脫離區(qū)指的就是零應(yīng)力區(qū)。此概念是在天然地基的情況下產(chǎn)生的。而產(chǎn)生零應(yīng)力區(qū)時(shí)，是傾覆力矩必須由支承體系的豎向力形成的力偶來抵抗。高寬比的定義為h/d,其中h是建筑物高度，d是傾覆方向支承體系的總寬度。由于傾覆力臂a隨h而變化，而抗傾覆力臂隨d而變化，因此傾覆力H和它所要求的抵抗力偶的關(guān)系可以由高寬比表示。如圖3：圖3抗傾覆模型高烈度區(qū)的高層剪力墻結(jié)構(gòu)，當(dāng)高寬比較大時(shí)，雖然高寬比未超過規(guī)范的限制要求，但由于水平地震作用較大，將整個(gè)建筑物按一個(gè)剛體進(jìn)行受力分析時(shí)，在底部截面處常出現(xiàn)與接觸面脫開的零應(yīng)力區(qū)，此時(shí)說明結(jié)構(gòu)所受水平荷載較大周邊墻肢出現(xiàn)受拉的可能性較大，要重點(diǎn)核查墻肢受拉情況。如墻肢受拉情況嚴(yán)重時(shí)，可通過優(yōu)化調(diào)整結(jié)構(gòu)體系布置，使恒、活荷載產(chǎn)生的壓力加大，水平荷載產(chǎn)生的拉力減小，從而減小墻肢平均拉應(yīng)力。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也可能出現(xiàn)由于結(jié)構(gòu)體系布置不合理，雖然未出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)，但仍然出現(xiàn)較大墻肢拉力的情況。5.工程應(yīng)用高烈度區(qū)某B級(jí)高度高層建筑，剪力墻結(jié)構(gòu)，工程結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.35g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，建筑場(chǎng)地的特征周期為0.55s，基本風(fēng)壓0.45kN/m2，地面粗糙類別為B類；屬B級(jí)高度高層建筑。抗震計(jì)算分析及內(nèi)力調(diào)整抗震等級(jí)為一級(jí)，抗震構(gòu)造措施為特一級(jí)。結(jié)算結(jié)果顯示，X、Y方向均出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)，并超過15%，應(yīng)對(duì)其復(fù)核墻肢拉應(yīng)力。首先，在JCCAD中讀取模型SATWE荷載數(shù)據(jù)，選取當(dāng)前荷載組合，1.00*（恒+0.5*活）+1.00*地震力+0.2*1.4*風(fēng)荷載，依次讀?。篨正方向，X負(fù)方向，Y正方向，Y負(fù)方向組合。查看墻肢拉壓情況，如圖4所示，可見此類q=—946出現(xiàn)負(fù)值的墻肢，此時(shí)初步判斷墻肢受拉力出現(xiàn)的范圍。圖4JCCAD墻肢荷載圖根據(jù)JCCAD中初步判斷的范圍，對(duì)各墻肢分別提取恒載作用下的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)力、活載載作用下的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)力、X、Y方向地震作用下的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)力，X、Y方向風(fēng)荷載作用下的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)力，如圖5.圖5SATWE墻肢構(gòu)件信息圖按規(guī)范要求進(jìn)行內(nèi)力組合：如X方向地震力和風(fēng)荷載作用下某墻肢，1.0*6338.6+0.5*809.7-1.3*5256.4-0.2*1.4*606.1=-259.58kN，得出墻肢上的內(nèi)力組合值為259.58kN，墻肢受拉，查出墻肢截面面積為0.4m*4.25m，則應(yīng)力值為0.15N/mm2，依次計(jì)算查出其余墻肢受拉情況。由下至上分析全樓各層拉力情況，直至所有墻肢拉應(yīng)力均小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的樓層。圖6墻肢受拉示意圖如圖6，X方向地震力風(fēng)荷載作用下，均為左右兩側(cè)邊墻肢出現(xiàn)拉應(yīng)力，水平力作用方向在墻肢平面外，且墻肢平均拉應(yīng)力均小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。Y方向地震力和風(fēng)荷載作用下均在上下兩側(cè)邊墻肢出現(xiàn)拉應(yīng)力，水平作用方向也在墻肢平面外，墻肢平均拉應(yīng)力也小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。以上墻肢均按所受拉力配置足夠數(shù)量的縱向受拉鋼筋，保證墻肢受拉安全，經(jīng)核查該工程未出現(xiàn)地震力和風(fēng)荷載作用在墻肢平面內(nèi)方向而墻肢受拉的情況。6.結(jié)論1墻肢出現(xiàn)拉應(yīng)力時(shí)，應(yīng)該區(qū)分是墻肢平面內(nèi)方向水平力產(chǎn)生，還是墻肢平面外方向水平力產(chǎn)生。2當(dāng)與水平力方向平行的墻肢出現(xiàn)超過混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的拉應(yīng)力時(shí)，除應(yīng)配置足夠的縱向抗拉鋼筋外，還應(yīng)提高周邊墻肢的抗剪承載力要求。3當(dāng)與水平力方向垂直的墻肢出現(xiàn)超過混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的拉應(yīng)力時(shí)，只需配置足夠的縱向抗拉鋼筋，以保證墻肢的受拉安全。4“零應(yīng)力區(qū)”與墻肢受拉是不同的概念，產(chǎn)生于不同模型，分析目的與影響