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鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計分會傾力打造
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從一張照片看剪力墻住宅
張利軍
住宅樓就是城鎮(zhèn)居民的家，是普通家庭最貴重的資產(chǎn)，所以住宅樓的關(guān)注度高，質(zhì)量和安全問題的敏感度高。
家是少年兒童成長之所，是老年人頤養(yǎng)天年之地。據(jù)衛(wèi)健委介紹，我國90%的老年人居家養(yǎng)老，只有3%入住養(yǎng)老機(jī)構(gòu)。即使對于青壯年，一天24小時當(dāng)中，在家的時間也是最長的。我們不能奢望住宅樓像幼兒園、中小學(xué)、養(yǎng)老院和醫(yī)院那樣，普遍提高抗震設(shè)防類別，但從概念方面增加結(jié)構(gòu)的冗余度和整體穩(wěn)固性還是應(yīng)該的，也是能做到的。但現(xiàn)實可能恰恰相反。在追求經(jīng)濟(jì)效益最大化的利益驅(qū)動下，過渡控制材料用量，甚至掩耳盜鈴，玩文字游戲……以至于剪力墻住宅被反復(fù)“優(yōu)化”以后，引起了業(yè)內(nèi)的廣泛憂慮。
近日在網(wǎng)上看到一棟高層建筑的照片。中部樓層嚴(yán)重破壞，但上部樓層和整體結(jié)構(gòu)巍然屹立，表現(xiàn)出非常好的整體穩(wěn)固性和抗連續(xù)倒坍能力。盡管無法獲得相關(guān)資料，但從照片和常規(guī)經(jīng)驗判斷，應(yīng)該是一棟鋼筋混凝土剪力墻住宅。由此不禁回想起30多年來親歷的高層住宅結(jié)構(gòu)型式的演進(jìn)歷程。頗有感慨，不吐不快。
照片展示的是偶然作用下的抗連續(xù)倒塌能力，與地震作用下的大震不倒是兩碼事，但二者在宏觀概念方面是可以相互借鑒的。所以，下面的敘述可能將二者“混為一談”。先說一些基本概念，再對照檢查當(dāng)前一些比較普遍的做法。
一、剪力墻的基本概念
剪力墻的特點：
1.剪力墻是片狀結(jié)構(gòu)。承受軸力和自身平面內(nèi)的剪力、彎矩，平面外不受力。按墻上開洞情況，傳統(tǒng)分類方法剪力墻分為四類：
整體墻、小開口墻、聯(lián)肢墻、壁式框架。
開洞最多最大的壁式框架，依然強(qiáng)于框架，介于剪力墻和框架之間。在墻肢與連梁交接部位具有明確的剛域，是壁式框架的主要特征。也就是說，盡管洞口多且大，但連梁對墻肢依然有較強(qiáng)的約束，可將同一個面內(nèi)的各墻肢連為整體，而不是松松散散的多個獨立墻肢。
大家可能看出來了：上述分類中為什么沒有短肢剪力墻？我的理解是，上述四類墻整體性較好，合稱普通剪力墻。短肢剪力墻整體性差，梁對墻肢的約束很弱，接近一個個獨立的異形截面。短肢剪力墻只有墻肢長厚比的要求，沒有整體剛度的要求，所以短肢墻屬于豎向構(gòu)件，已不具有傳統(tǒng)意義上剪力墻的特征，不屬于結(jié)構(gòu)形式。
2.剪力墻洞口頂部的墻有個專有名詞叫連梁。傳統(tǒng)意義的連梁除了起到梁的作用外，還有一個重要作用是把各墻肢連為整體，形成聯(lián)肢墻或壁式框架，而不是一個個獨立的墻肢。連梁按跨高比分為：
強(qiáng)連梁：跨高比≤2.5；（引自北京院技術(shù)措施）
弱連梁：2.5＜跨高比＜5；
框架梁：跨高比≥5。
《抗規(guī)》和《高規(guī)》中，對連梁剪壓比的限值要求也是以跨高比2.5為分界線的。
3.普通剪力墻的墻肢以整體彎曲為主，連梁以受剪切為主，剪壓比超限問題比較突出。短肢剪力墻類似于框架柱，或比框架柱更弱，以局部彎曲和剪切變形為主
二、結(jié)構(gòu)布置的基本要求
1.剪力墻洞口盡量上下對齊，行成明確的墻肢和連梁。
2.豎向荷載傳遞要簡單直接；各構(gòu)件受力均衡。
3.豎向構(gòu)件盡量軸心受力，減小偏心和扭轉(zhuǎn)。
三、不同時期剪力墻回顧
1.剪力墻拉通対直
高層剪力墻住宅的大規(guī)模建設(shè)始于90年代。當(dāng)時電算尚不普及，功能也不發(fā)達(dá)。但在概念方面有一些很好的原則性要求，比如：
a. 墻的平面布置盡量拉通対直，形成一片一片的剪力墻；
b. 墻上洞口上下對齊，形成明確的墻肢和連梁。剪力墻整齊、規(guī)則；
c. 連梁短且高，對墻肢約束較強(qiáng)。當(dāng)時輕質(zhì)砌塊品種比較少，墻面按建筑需要開設(shè)門窗洞、施工洞外，其他部位基本都是實體墻。從下層門窗洞的上口到上層門窗洞的下口就是連梁高度。所以，除了陽臺門頂連梁外 ，其他連梁基本都是強(qiáng)連梁。
板式樓較易做到拉通對直，塔式樓較難做到，但每個方向至少要有兩道剪力墻拉通対直。下圖比較好地做到了拉通対直，形成近似井字形的平面骨架，再加上每層的整體式樓板，形成一個大箱體，即使局部墻肢遭到破壞而失效，拉通対直的剪力墻相當(dāng)于伸臂桁架，整體抗連續(xù)倒塌能力是很強(qiáng)的。
下圖Y方向的剪力墻沒有嚴(yán)格拉通對直，但三道綠線所示的剪力墻盡管有轉(zhuǎn)折，但整體性依然很強(qiáng)大。
2.不強(qiáng)求拉通対直，但剪力墻要四面閉合，互為翼墻
剪力墻拉通對直，嚴(yán)重影響戶型布置，很難適應(yīng)市場需要。隨著電算功能的提高和工程經(jīng)驗的積累，設(shè)計中不再強(qiáng)求剪力墻拉通對直，但平面布置要四面閉合，盡量避免禿頭墻（無翼墻）和一字墻。實際上相當(dāng)于一束一束的小筒連為整體。通過層層樓板，連為箱體，整體性依然很強(qiáng)大。
對于設(shè)置轉(zhuǎn)角窗的情況，則要對墻肢和樓板采取加強(qiáng)措施，就是為了加強(qiáng)閉合（下圖摘自北京院技術(shù)措施）。
3.大量使用短墻肢（這里用“短墻肢”，是為了與“短肢墻”區(qū)別開）
隨著房地產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對結(jié)構(gòu)建造成本的控制越來越嚴(yán)，將大面積的剪力墻改為填充墻已成為普遍做法，出現(xiàn)了大量下圖所示的墻肢。這種做法的依據(jù)是《高規(guī)》條文解釋7.1.8條：“對于L形、T形、十字形剪力墻，其各肢的肢長與截面厚度之比的最大值大于4且不大于8時，才劃分為短肢剪力墻”，大量使用短墻肢，卻規(guī)避了短肢剪力墻，。
由于墻肢較短，樓面梁布置變得很復(fù)雜，如下圖（為泛指，不指具體工程）：
剪力墻量倒是少了，但樓面梁層層疊疊，非常繁復(fù)。按豎向荷載傳遞途徑，出現(xiàn)了5級梁。經(jīng)5次傳遞，最終傳給樓梯間側(cè)面的那根梁，這個戶型的樓面荷載寄托在這一根梁上，可謂千鈞一發(fā)。為了回避“樓面梁不宜支承在剪力墻連梁上”的規(guī)定，所有梁的跨高比均大于5，使得截面不是加大加強(qiáng)，反而故意減小，抗剪能力被人為削弱。
其實這是一個比較規(guī)整的戶型，結(jié)構(gòu)布置并不難。如下圖稍加修改，就會安全合理得多。粗步估算，每平米增加混凝土用量0.018m3。但在當(dāng)前的市場環(huán)境下，就這么一點點用料，很可能成為設(shè)計成敗的關(guān)鍵。
4.剪力墻有其名，無其實
下圖是一棟27層的板式住宅，層高2.9米。除紫色橢圓內(nèi)的連梁為強(qiáng)連梁外，其它梁跨高比均大于5，對墻肢約束很弱。為了更為直觀，下圖第一張未畫出樓面梁。因為是6度區(qū)，計算結(jié)果均能滿足規(guī)范要求。
以X方向為例，除了紫色橢圓內(nèi)是一道雙肢墻外，其他多數(shù)墻肢長度僅為600，按等慣性矩可換算為450x450的柱子。梁高均為370（2900-2400-130=370）。梁柱截面這么小，還能有剛域嗎？很多梁端為鉸接，且紫線所示均為單跨。最南側(cè)這道剪力墻的結(jié)構(gòu)立面如下圖，可以感受一下：這樣的結(jié)構(gòu)名曰剪力墻，實則能比得上普通框架嗎？
5.安危寄予一線
下圖中墻肢均為L形，樓面梁搭了3級。三個角部的L形墻肢，加上梁又那么弱小，無冗余度可言，無整體性可言。任何一個墻肢都不容有閃失，可謂安危寄予一線。聯(lián)想到目前千家萬戶自作主張的裝修，隨意開墻破洞、改水改電……不禁不寒而栗。
紫色橢圓里的L形墻承擔(dān)了這個戶型的絕大部分重力。但其形心、剪心、軸力作用點均不重合。彎剪扭+開口截面，即使對于理想彈性材料的鋼材，驗算也是非常復(fù)雜的。尤其邊角部位，受力更為復(fù)雜。即使對于雙軸對稱矩形截面柱，計算方法也是在長期大量試驗基礎(chǔ)上歸納總結(jié)出來的。如此大量使用異形截面短肢墻，是否也經(jīng)過大量實驗深入研究？還是僅憑純理論計算？所以，我們能不能過分依賴計算結(jié)果，把傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念中的每一點利好都用干用盡，值得思考。
四、對當(dāng)前剪力墻結(jié)構(gòu)的一些疑問和期望
1. 地震區(qū)大量使用異形截面豎向構(gòu)件，我們對計算結(jié)果是不是足夠自信？我們一方面強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計的重要性，一方面卻全交由電腦去算，算成啥樣是啥樣，甚至摳到小數(shù)點后幾位。我們對地震烈度的確定、對計算模型的假定有那么精準(zhǔn)和自信嗎？據(jù)了解，目前對開口截面鋼構(gòu)件尚無受扭計算方法，我們對異形截面墻肢的驗算足夠充分嗎？另外，鋼結(jié)構(gòu)有板件寬厚比限值，鋼筋混凝土異形截面在壓彎剪扭作用下，如何保證穩(wěn)定？
2. 框架結(jié)構(gòu)要控制梁柱偏心距，要驗算梁柱節(jié)點核心區(qū)。短墻肢與框架梁核心區(qū)是否也做了驗算？不驗算的話是否有隱患？
3. 是不是計算不超限、規(guī)范不突破，就真的萬事大吉了？有沒有削足適履之嫌？
4. 相對于商家的利潤來說，千家萬戶的生命和財產(chǎn)安全才是頭等大事。從結(jié)構(gòu)布置的概念和構(gòu)造方面增加冗余度、加強(qiáng)整體性，布置備用傳力途徑，才是提高整體穩(wěn)固性的根本，靠計算無能為力。計算只是一種模擬，盡量接近真實而已，不能精確反應(yīng)真實情況。
5. 三十多年來，高層住宅在功能品質(zhì)和居住體驗方面可謂脫胎換骨。但在整體安全性方面，值得反思和研究。
6. 出現(xiàn)上述現(xiàn)象與行業(yè)內(nèi)卷有很大關(guān)系。好在現(xiàn)在有了“嚴(yán)格落實建設(shè)單位工程質(zhì)量首要責(zé)任”的英明政策。下一步，希望消費者像關(guān)心得房率一樣關(guān)注含鋼率、實墻率；希望專家學(xué)者深入研究，提出新的技術(shù)指標(biāo)和要求；希望廣大技術(shù)人員堅持原則，守住底線。同心合力，共同堵住這股“沒有最省，只有更省”的狂卷風(fēng)。
勘察設(shè)計大師、規(guī)范主編
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