剪力墙结构设计需关注的几个问题

赵 卫

[摘 要]在结构设计中,尽管现行规范给出了剪力墙结构设计的若干条款,但规范不可能面面俱到,文章就实际设计中遇到的一些问题及体会进行讨论。

[关键词]剪力墙 结构设计 抗震

一、剪力墙的特点

剪力墙刚度大,易满足地震或风荷载作用下的结构尤其是高层结构的位移限制。在地震作用下,其变形小、破坏程度低,可以设计成延性抗震墙,大震时通过连梁和墙肢底部的塑性铰范围内的塑性变形耗散地震能量,在与其他结构共同工作时,能吸收大部分的能量,提高结构受力能力,降低对其他结构的抗震要求。在抗震设防要求较高的地区(8度及8度以上),其抗震优点更为突出。

二、剪力墙的布置

(一)抗震墙结构和部分框支抗震墙结构

剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置;抗震设计的剪力墙结构应避免仅单向有墙的结构布置形式。剪力墙墙肢截面宜简单、规则,剪力墙结构的侧向刚度不宜过大。

较长的抗震墙宜开设洞口,将其分成长度较均匀的若干墙段,墙段之间宜采用弱连梁连接,每个独立墙段的总高度与截面高度之比不应小于3,墙肢截面高度不宜大于8m,墙肢长度沿结构全高不宜有突变。剪力墙洞口宜上下对齐、成列布置,形成明确的墙肢和连梁。应避免使墙肢刚度相差悬殊的洞口设置。抗震等级为一、二、三级的剪力墙底部加强部位不宜采用错洞墙,所有部位均不宜采用叠合错洞墙。

(二)框架抗震墙结构

抗震墙应贯通房屋全高,且横向与纵向的抗震墙应相连。抗震墙应设置在墙面不需要开大洞的位置。房屋较长时,刚度较大的纵向抗震墙不应设置在房屋的端开间。抗震墙洞口应上下对齐洞边距端柱不应小于300mm。

三、剪力墙的设计

(一)剪力墙的厚度

抗震设计时,剪力墙厚度不应小于抗震规范的要求。目前在很多民用项目中,普遍存在由于使用功能需要而墙厚不满足要求的情况。当墙厚不能满足上述要求时,应验算墙体的稳定。

(二)底部加强部位

抗震设计时,一般剪力墙结构底部加强部位的高度可取墙肢总高度的1/8和底部两层二者的较大值,当剪力墙高度超过150m时,其底部加强部位的高度可取墙肢总高度的1/10;底部带转换层的高层建筑结构,其剪力墙底部加强部位的高度可取框支层加上框支层以上两层的高度及墙肢总高度的1/8二者的较大值。

(三)剪力墙的设计原则

剪力墙的墙肢长度不大于墙厚的3倍时,应按照柱的要求进行设计,箍筋应全高加密。剪力墙开洞形成的连梁,当跨高比小于5时,按照《建筑抗震设计规范》及《高层建筑混凝土结构技术规程》中相关规定设计,当跨高比不小于5时,宜按框架梁进行设计。

应控制剪力墙平面外的弯矩。当剪力墙墙肢与其平面外方向的楼面梁相连时,应至少采取以下措施中的一个措施,以减小梁端部弯矩对墙的不利影响:(1)沿梁轴线方向设置与梁相连的剪力墙或墙肢,抵抗该墙肢平面外弯矩;(2)当上述不能满足时,应在墙与梁相交处设置暗柱,暗柱宽度可取梁宽+2倍墙厚,并宜按计算确定配筋。此时,梁端可按简支考虑;(3)剪力墙内设置型钢。不宜将楼面梁支承在剪力墙之间的连梁上。一级和二级抗震墙,底部加强部位在重力荷载代表值作用下墙肢的轴压比,一级(9度)时不宜超过0.4,一级(7度、8度)时不宜超过0.5,二级不宜超过0.6。

(四)剪力墙的配筋

剪力墙厚度大于140mm时,竖向和横向分布钢筋应双排布置厚度在400mm-700mm之间时,宜采用三排配筋;厚度大于700mm时,则采用四排配筋,受力钢筋可均匀分布成数排。一般剪力墙竖向和水平分布筋的配筋率,一、二、三、四级抗震设计和非抗震设计时均不应小于0.20%,分布筋间距均不应大于300mm,直径均不应小于8mm。部分框支剪力墙结构,剪力墙底部加强部位墙体的竖向和水平分布筋的配筋率,抗震设计时均不应小于0.3%,非抗震设计时不应小于0.25%。抗震设计时钢筋间距不应大于200mm,直径不应小于8mm。房屋顶层剪力墙以及长矩形平面房屋的楼梯间和电梯间剪力墙、端开间的纵向剪力墙、端山墙的竖向和水平分布筋的配筋率不应小于0.25%,钢筋间距不应大于200mm。

(五)连梁设计

连梁配筋应满足一般框架梁的要求。抗震设计时,连梁箍筋应按照框架梁梁端加密区箍筋的构造要求采用,非抗震设计时,沿连梁全长的箍筋直径不应小于6mm,间距不应大于150mm。顶层连梁纵向钢筋伸入墙体的长度范围内,应配置间距不大于150mm的构造箍筋,箍筋直径应与该连梁的箍筋直径相同。墙体水平分布钢筋应作为连梁的腰筋在连梁范围内拉通连续配置。当连梁截面高度大于700mm时,其两侧沿梁高范围设置的纵向构造钢筋腰筋的直径不应小于10mm,间距不应大于200mm,对跨高比不大于2.5的连梁,梁两侧的纵向构造钢筋腰筋的面积配筋率不应小于0.3%。剪力墙结构计算时,可考虑连梁刚度折减但折减系数不宜小于0.5,当连梁内力由风荷载控制时及跨高比不小于5的连梁其刚度不宜折减。

在剪力墙结构特别是高层剪力墙结构计算时,连梁对剪切变形非常敏感,在很多情况下计算时经常出现超筋现象,此时,可以采用以下方法进行调整:(1)减小连梁截面高度;(2)抗震设计的剪力墙中连梁弯矩及剪力可进行塑性调幅,以降低其剪力设计值;(3)当连梁破坏对承受竖向荷载无明显影响时,可考虑在大震作用下该连梁不参与工作,按独立墙肢进行第二次多遇地震作用下结构内力分析,墙肢应按两次计算所得的较大内力进行配筋设计。

(六)边缘构件设计

剪力墙边缘构件分为约束边缘构件和构造边缘构件,两种边缘构件的设计方法不同,加强了应加强的部位,放松了可放松的部位,使剪力墙的设计更具合理性。剪力墙的约束边缘构件包括暗柱、端柱和翼墙。约束边缘构件沿墙肢方向的长度和箍筋配箍特征值应符合《高层建筑混凝土结构技术规程》和《建筑抗震设计规范》的要求。纵向钢筋的配筋范围不应小于规范规定的阴影面积,其纵向钢筋最小截面面积,一、二级抗震设计时分别不小于阴影面积的1.2%和1.0%并分别不应小于6¢16和6¢14。约束边缘构件中阴影部分约束钢筋配置方法有两种:(1)阴影部分的约束钢筋以箍筋为主,箍筋的长边不宜大于短边的3倍,相邻两个箍筋宜互相搭接,搭接长度为1/3箍筋长边的长度,其他钢筋可用拉筋补齐,但拉筋端部应做135度弯钩钩住竖向与水平筋,弯钩端部平直段长度不小于10d。(2)阴影部分的约束钢筋也可采用箍筋与墙体水平筋共同工作的方法,即利用有可靠锚固的水平分布筋作为部分约束边缘的箍筋,在竖向水平筋间隔内另增设上述方法一的相互搭接的箍筋,当利用墙体水平分布筋作为约束箍筋时,水平筋之间应增设拉筋,拉筋端部应做135度弯钩钩住竖向与水平筋,弯钩端部平直段长度不小于10d。剪力墙的构造边缘构件的纵向钢筋应满足受弯承载力要求,且不应小于规范规定的最小要求。通过对以上各条问题的了解和熟悉,即可基本掌握剪力墙的设计方法。

参考文献

[1]唐少虎。论高层建筑剪力墙的结构设计分析[J]建材与装饰,2008.6

[2]王和平。高层建筑剪力墙结构优化设计分析探讨[J]四川建材,2008.5