朱正洋

(上海市政交通设计研究院有限公司，上海 200030)

0 引言

剪力墙在高层建筑结构中广泛应用，其截面形式一般有矩形、T形、L形以及两端带翼缘(或端柱)的复杂截面等;其截面厚度最小160 mm，最大可达到1.5 m;其截面高厚比一般大于4(小于4的按柱设计)，截面长度不宜大于8 m，墙段的高度与长度之比不宜小于3。结构软件一般对剪力墙采用细分的壳单元模拟计算，墙肢与墙肢之间、墙与其他杆件之间变形协调，其内力、位移、地震计算等都可得到理想的结果。在墙截面配筋设计环节，传统的配筋采用“分段式配筋方式”，该方法不尽合理，一方面在某些情况下配筋不够，另一方面在很多情况下又造成配筋过大的不经济的计算结果［1］。YJK软件在总结该配筋方式的不足之后，于是做了改进，增加了剪力墙的自动组合截面配筋计算方法，即墙柱配筋设计时考虑端柱和翼缘。

然而在剪力墙截面配筋设计时，还经常存在如图1所示的带端柱和短翼缘的截面形式。这些截面在配筋时经常超筋或者配筋面积过大，导致设计时难以实现。针对以上情况，分析其原因，并给出解决方案。

图1 带端柱和短翼缘的剪力墙截面

1 基本原因分析与解决方案

1.1 一侧带端柱的剪力墙截面

如图1a)形式的剪力墙，在墙肢出现偏拉受力时出现配筋过大的情况。该组合剪力墙截面的实际受力情况是一个偏压构件，带端柱一侧是受压区，其截面极限应力状态如图2所示。而软件按墙、柱分别计算，柱是一个偏压构件，墙是一个偏拉构件，如图3所示。按偏拉构件计算的剪力墙配筋明显大于偏压构件的剪力墙配筋。

该截面形式的剪力墙为单轴对称的截面形式，而且端柱的截面面积明显大于剪力墙一侧的暗柱面积，应该按考虑端柱的非对称配筋的截面计算。可参考JGJ 3—2010第7.2.8条，按T形偏心受压剪力墙墙肢进行正截面受压承载力计算。方程有As，A's和受压区高度x三个未知数，补充As+A's面积最小的条件，即充分考虑受压区混凝土的作用，取x=xbh0代入方程，编制Excel表格计算。

图2 一侧带端柱的剪力墙截面端柱侧受压的极限应力状态

图3 程序按墙和柱单独计算时应力状态

1.2 一侧带短翼缘的剪力墙截面

如图1c)，图1e)形式的剪力墙，在短翼缘侧会出现配筋过大而导致纵筋无法排布的情况。该组合剪力墙截面的实际受力情况是一个偏压构件，带翼缘一侧有位于受拉区和受压区两种情况，其截面极限应力状态如图4所示。

图4 一侧带短翼缘的剪力墙截面极限应力状态

而软件按纵、横向一字墙肢分别计算。当短翼缘位于受压区时，由于软件按一字墙正截面偏压承载力计算时钢筋的合力点位置取在暗柱中心位置，造成钢筋合力点力臂偏短，配筋偏大。而对于短翼缘一字墙，实际设计时已经合并为一个暗柱，按两端各有一个暗柱的计算假定已不合适。如果不考虑按组合墙设计时，可调整钢筋合力点到边缘的距离as，a's，编制Excel表格计算。与计算假定相吻合，在设计时将该翼缘的纵筋布置在剪力墙的端部，即设计成单排或双排等，确定纵筋形心位置。如果考虑调整as，a's后配筋仍偏大，再按组合墙进行配筋，其计算方式同1.1节当短翼缘位于受拉区时，一字墙按偏拉构件计算，配筋值明显过大而导致纵筋无法排布，此时需考虑按组合墙非对称配筋进行设计。

1.3 两侧带端柱的剪力墙截面

如图1b)形式的剪力墙，常在框剪结构中应用，此种形式的剪力墙通常配筋也会偏大。图5为框剪结构中一种常见的结构布置，软件在计算时将墙柱分开计算，一方面端柱与梁相连的一端承受弯矩M1，由于计算单元的局限性，端柱与墙相连的一侧没有弯矩，导致端柱在沿墙肢方向的弯矩较大，从而出现较大的配筋;另一方面，单独计算的墙肢在偏拉状态下也会产生较大的配筋。两者的配筋面积再叠加，导致计算面积偏大。对于此种情况，在计算时可以考虑按两端带端柱的组合剪力墙截面进行设计，对称配筋。组合墙只承受沿墙肢方向的弯矩，其内力取两端柱和墙肢的合力。

剪力墙内力组合，其计算原理如下:

式中:N1，N2，…，Nn——墙肢 1，2，…，n 的轴力;

M1，M2，…，Mn——墙肢 1，2，…，n 的平面内的弯矩;

x1，x2，…，xn——墙肢 1，2，…，n 至组合墙形心的距离。

图5 剪力墙两侧端柱与梁相连

1.4 两侧带短翼缘的剪力墙截面

如图1d)，图1f)形式的剪力墙，其配筋偏大的原因和解决方案与1.2的情况基本一致，只是在配筋计算时可按照对称配筋计算。

2 算例

2.1 两侧带端柱的剪力墙截面

截面简图如图5所示，DZ1和DZ2为800 mm×800 mm的柱，Q1截面尺寸为b×h=400 mm×8 400 mm，混凝土强度C50，钢筋等级HPB400，竖向分布筋配筋率为0.6%，抗震等级为二级，为底部加强区墙柱。

2.2 两侧带短翼缘的剪力墙截面

上翼缘，b'f×h'f=200 mm ×600 mm;下翼缘，b'f×h'f=200 mm×600 mm;腹板墙肢厚b=200 mm，墙肢高h=4 400 mm。按程序(分段式)配筋时，上翼缘内力 N1=784 kN(－)，M1=110 kN·m;中间腹板内力N1=2 000 kN(+)，M1=8 000 kN·m。因为短翼缘的墙肢较短，其内力忽略不计，计算组合墙内力时取腹板内力。实际配筋如图6所示。

图6 两端带短翼缘截面简图和实际配筋详图

表1 两种配筋方式配筋面积比较

表2 剪力墙考虑翼缘时的配筋面积 mm2

从表1，表2和图6可以看出，按本文提出的方法可以减少文中所提到的几种剪力墙的配筋。文中所提方法简单、易行，可以在设计中使用。

3 结语

对一些特殊的剪力墙结构采用传统的“分段式配筋方式”在设计过程中有时会造成不合理，不经济的情况。当计算结果出现异常时，设计人员要进行科学分析，合理判断，找出原因，并运用专业知识给出合理的解决方案。本文所论述的问题和方法可为同类设计问题提供参考。