【结构咖】单向少墙结构研究综述

作者 | 鲲鹏

自媒体人

本文来源于其微信公众号“JIE构生活”

单向少墙结构在住宅类建筑中有越来越流行的趋势，本人在实际工作过程中，接触到多个单向少墙结构的项目。在超限报告中，单向少墙也常作为一个专项出现。作为一个超限报告中的几点问题 系列专题，本篇主要阐述单向少墙结构相关论文的核心观点。

背景

1、由于通风采光的需要，部分住宅类建筑采用剪力墙南北向布置，导致东西向剪力墙偏少，墙肢较短甚至完全退化为端柱，结构两个方向受力特性出现明显差异。随着城市建设的发展，一线城市土地越来越稀缺，住宅层数逐渐增多，建筑高度达到150m~180m，甚至更高，这一因素使单向少墙的问题更加突出。

2、《高规》7.1.1条，“剪力墙结构平面布置宜简单、规则，宜沿两个主轴方向或其他方向布置，两个方向的侧向刚度不宜相差过大。抗震设计时，不应采用仅单向有墙的结构布置。”

3、市场发展（新趋势）与规范规定（旧经验）之间的矛盾需要得到妥善解决。具体来说，结构工程师需要研究：

1）单向少墙结构抗侧力的传递方式；2）单向少墙结构结构体系的判别方法；3）单向少墙结构抗震措施。

抗侧力传递方式

1、 一般来说，剪力墙主要承担竖向力和面内水平剪力。目前常用的设计软件考虑了剪力墙面外刚度，但未做面外承载力验算，常规双向均匀布置的剪力墙结构面外受力较小，设计中不予考虑或按常规设计可以包络该不利因素，不至影响结构安全。单向少墙结构由于一向布置面内剪力墙较少，因此另一向剪力墙的面外作用及效应不容忽视，如仍按普通剪力墙结构进行设计，少墙方向结构设计可能存在较大的安全隐患。

2、 下图为某标准层结构平面图。虽然X向剪力墙偏少，但X向仍具备足够刚度，层间位移角满足规范要求。计算显示：结构Y向变形符合剪力墙结构的“弯曲型”特征，X向变形基本符合框架-剪力墙结构的“弯剪型特征”。此类结构的X向抗侧力体系由三部分组成：

1）X向长墙肢；2）短墙肢（含有效翼缘）与楼面梁组成的梁柱框架；3）Y向剪力墙面外与楼板组成的扁柱框架。

通常情况下，X 向数量众多的短墙肢框架及剪力墙面外与楼板组成的框架可以弥补X 向长墙刚度的不足。

扁柱框架剪力分担率在15%左右（因项目而异），随楼层升高分担率波动不大。梁柱框架剪力分担率随楼层升高逐渐增加；X向剪力墙剪力分担率随楼层升高不断减小；属于典型的框架-剪力墙结构受力特点。

结构体系判别

1、 对于单向少墙结构，由于另一向剪力墙较多，设计单位未经仔细判别，就将整个结构按剪力墙结构进行设计是不妥的。现行结构设计软件计算时，均已考虑三部分抗侧力体系的刚度，但框架部分的设计并未明确按框架—剪力墙结构中的框架考虑，且并未验算扁柱楼板框架的抗侧承载力，这样的设计存在一定安全隐患。

2、单向少墙结构一向不符合剪力墙结构的条件，又与一般框架—剪力墙结构不同，存在着梁柱框架、扁柱楼板框架两种不同框架系统参与X向抗侧作用。因此需要明确X向的的两种框架尤其是扁柱楼板框架参与抗侧作用的程度。

3、按照剪力比法进行判别时，单向少墙结构的剪力，由三部分组成：

少墙结构的剪力分担率一般小于0.9（同时兼顾倾覆弯矩的判别），应按照框架剪力墙结构进行设计。从抗侧设计角度考虑，扁柱楼板框架是较弱的抗侧框架，设计时应采取措施限制其承受较大的侧力。

当扁柱框架剪力比小于0.05时，可不考虑少墙方向剪力墙和楼板的面外受力，并由剪力墙和梁柱框架承担全部水平地震作用；当扁柱框架剪力比大于0.05时，应考虑剪力墙面外及相应楼板的抗侧承载力。当扁柱楼板框架的剪力比大于0.1时，建议适当增设剪力墙和加强梁柱框架刚度，使该剪力比适当降低，以减弱扁柱楼板框架承担的抗侧作用。

为顺利进行结构设计，需确定梁柱框架和扁柱楼板框架两种框架中柱的位置及尺寸，具体可参考下图。Y向墙中部无梁段的宽度可定义为扁柱楼板框架的中扁柱宽度。

按上述方法确定的柱与相应梁组成的框架可按照规范关于框架—剪力墙结构中的框架的相关计算方法及规定进行设计。Y向墙无梁墙段组成的扁柱楼板框架，其抗侧承载能力的计算包括Y向剪力墙（扁柱）及楼板的抗侧承载力计算两项内容。

抗震措施

从概念上来说，在X向起到框架作用的扁柱楼板框架在Y向是剪力墙，是主要的抗侧力构件，因此尚应注意避免扁柱楼板框架体系的破坏对另外一向剪力墙造成的不利影响，设计时宜增设必要的剪力墙和加强X向梁、柱（含剪力墙端柱）框架的刚度，以控制扁柱楼板框架底层的剪力比在0.1以内，同时将剪力墙和梁柱框架设计成共同承担全部地震作用。

此处需要明确的是，抗震措施包括两类，一类是不用计算的构造措施，比如采用框架剪力墙结构对梁柱框架部分进行设计，扁柱楼板框架分担剪力较低（5%）时，采用适当构造措施（略加大面外分布筋配筋率）提高其承载力。另一类则需要通过计算，才能提出具有针对性的抗震措施。比如，扁柱楼板框架分担剪力较大时（比如超过10%），就属于这种情况。

1、 剪力墙（扁柱）抗震设计

多数情况下，X向短墙肢与Y向长墙作为组合构件参与作用，Y向墙体近X向短墙肢端会承担较大的面外剪力，而远离X向短墙肢端剪力会相对较小，即Y向墙面外受力沿墙长并非均匀分布，若Y向墙体面外承载力按整段墙长内力均布校核可能会造成局部不安全，严格来说应该按受力分布进行分段配筋。

综合考虑剪力墙面外受力分布和常规设计习惯，将Y向墙体面外承载力校核分为X向短墙肢的有效翼缘和一般部位两个部分。

根据某项目分析情况，针对有效翼缘，讨论如下：小震和中震下“有效翼缘”均未屈服，但大偏心受力所占的比例随地震作用增大而增大，小震、中震和大震大偏心受力所占的比例分别为45%，65%，80%。大震下约35%的墙体偏心受拉屈服，部分未屈服的有效翼缘计算配筋已经达到实际配筋的50%以上。墙体低中高区楼层均有屈服，外围墙肢较内部墙肢更容易出现偏心受拉屈服。对于单向少墙结构，作为关键构件的X向短墙肢框架承担了较大比例的地震作用，Y向墙体端部的有效翼缘是关键构件的核心组成部分，因此应进行加强（规范在指定约束边缘构件范围的时候，也有类似考虑），以控制大震抗弯屈服比例。

针对一般部位，小震、中震和大震下Y向墙体一般部位计算配筋均未超过实际竖向分布筋配筋。小震下仅5%的墙肢为大偏心受压，中震和大震下分别达到30%和75%，高区楼层大偏心受压的墙肢较多，外围墙体和一字墙受力更不利。一般来说，剪力墙竖向分布筋是作为构造钢筋和剪力墙面内抗弯钢筋使用。面外受力计算配筋虽未超过竖向分布筋的构造配筋率，但大震下部分墙体配筋计算面积已基本接近构造值，而且承载力验算未考虑面内面外双向压弯作用，因此宜采取合理措施保证剪力墙面外承载力。考虑到面外受力的影响，宜在规范规定的最小分布筋配筋率的基础上，高区单侧竖向分布筋配筋率提高0.12%，底部加强区竖向分布筋单侧提高0.1%，然后提取双向地震作用组合的内力，对墙体面内和面外进行双向压弯承载力校核。

此外，当墙体不长时，Y向墙体面外承载力也可考虑采用墙中间部位设1m宽暗柱来承担。暗柱的配筋根据计算确定，偏保守地取轴力设计值为1m范围内墙肢轴力，弯矩设计值为一般部位墙体全长面外弯矩。在中部设立暗柱不但保证了墙体面外安全，另一方面由于暗柱基本处于墙肢面内抗弯的中和轴位置，与面内弯矩耦合作用较小。

2、 楼板抗震设计

简化模型为32层，层高3.2m，结构X向剪力墙数量和长度均远小于Y向，采用ETABS建立分析模型，剪力墙和楼板采用壳单元，楼板按有限元方式导荷。

下图给出B1和B2在X向小、中震组合内力下的计算配筋与仅竖向荷载下计算配筋的比值（仅对比计算配筋需要面积，排除最小配筋率等构造因素）。计算显示，中下部楼层小、中震下的支座负筋均超过常规设计的配筋。以B2板为例，小震下11~21层配筋平均为常规算法的1.1倍，中震平均为1.55倍。

作为对比，选取约束相对较大的B3北侧支座，取其Y向小震作用下典型楼层板的弯矩代表一般剪力墙楼板受力情况，并与少墙方向的楼板弯矩进行对比。结果显示，在地震作用下，常规剪力墙结构楼板支座弯矩远小于少墙结构的楼板支座弯矩，平均约为少墙方向的10%.

另外，随着Y向剪力墙面外剪力分担率的增加，结构框架受力特点越来越明显，突出表现为底部楼层楼板弯矩明显增加，上部楼层楼板弯矩减小。

上图给出小、中震作用下，不同Y向墙面外分担率（通过调整墙肢长度实现）对应支座负筋相对常规设计的放大情况。

按照小震弹性，中震允许屈服的性能目标，则小震下配筋放大系数统计结果详见表7，此时中震约75%板支座受弯屈服。由下表计算结果可知，B1和B2规律基本一致，B2略严重，高区可不放大，中低区平均放大1.1倍左右。中震板支座屈服后，跨中板底钢筋经计算需在构造配筋的基础上放大1.05倍，且全部伸入支座。

若中震允许楼板50%屈服，配筋放大系数如下表。此时，楼板支座钢筋明显增加，高区需放大1.1倍，中低区需放大1.4倍左右。

在此部分的抗震措施环节，工程师应根据建筑要求、结构平面布置等因素，对剪力墙面外和楼板进行有针对性的分析，以确定相适应的抗震措施。

结论

对单向少墙结构，少墙方向剪力墙剪力分担率一般小于0.9，应按框架—剪力墙结构设计，梁柱框架分担剪力应予放大；

1） 扁柱楼板框架（剪力墙面外）分担的剪力比小于0.05时，可不考虑剪力墙面外及相应楼板的抗侧作用，全部地震水平力由剪力墙及梁柱框架分担。

2） 扁柱楼板框架分担的剪力比界于0.05至0.1之间时，应考虑剪力墙面外和楼板的受力及配筋。

3） 扁柱楼板框架分担的剪力比大于0.1时，应对剪力墙面外和楼板的受力及配筋进行详细分析，并按性能化要求进行复核。同时，应尽可能增设剪力墙，以减弱扁柱楼板框架承担的抗侧作用。

参考文献：

魏链等，X向少墙时Y向剪力墙结构墙体面外抗震设计，建筑结构，47（1），2017

魏链等，一向少墙的高层钢筋混凝土结构的结构体系研究，建筑结构，47（1），2017

彭肇才等，龙光深圳红山项目单向少墙结构设计研究，广东土木与建筑，8-9，2016

谭伟等，单向少墙剪力墙结构的楼板抗震设计，深圳土木&建筑，10-15，2015

魏链等，深圳超限高层建筑工程设计及实例，2016

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