剪力墙结构设计中的若干问题探析

周晓莉

摘 要：伴随着高层建筑的迅猛增加，对剪力墙结构的合理设计及优化布置，对于节约建设成本具有重要意义。本文对剪力墙结构分析模型及方法进行了介绍，并重点对剪力墙结构的合理布置问题进行了探讨和研究。

关键词：高层建筑；剪力墙结构；优化布置

1 剪力墙结构分析模型及方法

高层建筑结构中的剪力墙所承受的荷载有风和地震引起的水平荷载、结构自重和各楼层活荷载等竖向荷载，其主要功能还是抵抗结构的水平侧力，利用其强大的抗侧移刚度，减小结构的侧移。一般在多遇地震的情况下，剪力墙能很好地满足结构强度、刚度和抗震方面的要求，在大震和罕遇地震的情况下，由于地震加速度峰值大，输入的地震能量大，这就要求剪力墙具有较好的耗能能力，具有较好的延性。所以在进行结构设计时，对有抗震设防要求的结构就要进行非线形静力、动力分析，而在这一分析中，如何建立合理的剪力墙计算分析模型就显得为重要。目前国内外对剪力墙的计算分析模型的研究很多，主要可归纳为两种，基于固体力学的微观模型和以一个构件为一个单元的宏观模型。

1.1 微观模型

微观模型是指用有限元来离散钢筋混凝土构件。对剪力墙体中的钢筋和混凝土的处理，一般有二种方法：将钢筋和混凝土离散开，分别建立不同的单元，钢筋单元和混凝土单元之间采用联结单元来连接以模拟粘结和滑移。根据剪力墙配筋基本上呈均匀分布的特点，将钢筋和混凝土作为一个整体的复合介质单元，钢筋弥散于整个单元中，并把单元视为连续均匀材料，混凝土开裂处理为单元内的分布裂缝。一般情况下剪力墙暗柱处配筋较大且对剪力墙性能影响较大，中间墙片处配筋小且比较均匀，可将暗柱和中间墙片分别处理，将暗柱处的钢筋和混凝土进行离散，而对中间墙片采用复合单元的方法。

利用微观模型的有限元分析方法能够给出结构或构件内力和变形发展的过程，能够描述裂缝的形成和扩展，以及结构或构件的破坏过程及其形态，从而可揭示出结构或构件的基本性能。因此研究剪力墙构件的基本性能及弯曲、滞回特性，微观模型的有限元分析方法理论上是一种基本和精确的方法。对于实际结构的分析，采用微观模型容易造成庞大的自由度，从而引起的数值分析上的困难，因此这一模型目前主要用于构件和结点的分析中，而很少应用用整个结构的分析中。

1.2 主要的宏观模型

宏观模型是指通过简化处理将某一构件简化成一个单元，这种模型存在一定的局限性，一般只有在满足其简化假设的前提下，才能较好地模拟结构地真实性态。然而由于这种模型相对比较简单，计算量较小，所以从分析实际结构考虑，宏观模型仍是目前钢筋混凝土剪力墙研究和使用中的最主要的模型。剪力墙宏观模型主要有等效梁模型、等效精架模型、三垂直杆元模型等。

1.2.1 等效梁模型

这种模型是用梁单元沿墙轴线来对剪力墙进行离散。最简单最常用的梁单元模型是单分量模型，它由一个两端带有等效非线性旋转弹簧的线弹性单元组成，该单元的全部非线性变形集中于两端非线性旋转弹簧的旋转即塑性铰上。每个弹簧的非线性弯矩一转动关系由事先假定的反弯点的位置来确定，端点的非线性转动取决于该处的弯矩。对于非线性弹簧可一采用任意给定的弯矩一转动滞变模型，除弯曲模型外，由拉伸钢筋滑移引起的也可包括在滞变模型中。但这种梁单元模型忽略了反应中墙轴力的变化，并假设墙的转动围绕着墙横截面的中性轴，因而没有考虑地震反应中墙横截面中性轴的移动。

1.2.2 等效析架模型

1989年Hiraishi和Kawashimail7l用一等效格架系统来模拟剪力墙，该模型的特点是可以计算由对角开裂引起的应力再分布。然而用此模型的困难是要合适定义等效析架系统几何和力学特性，因而这一模型应用较少。

1.2.3 三垂直杆元模型

1984年Kabeyasawa等为解释美日合作研究的足尺的七层钢筋混凝土框架一剪力墙结构伪动力试验结果，提出了一个三垂直杆元模型。三垂直杆元模型中三个垂直杆元通过代表上下楼板的刚性梁连接，两个外边杆单元代表墙两边柱的轴向刚度，中心杆元由垂直、水平和弯曲弹簧组成，在中心杆元与下部刚梁之间加入一高度为rh的刚性元素，rh即为底部和顶部刚梁相对旋转中心的高度。

2 剪力墙结构的合理布置

2.1 层数较少的高层住宅

20层以下的高层采用传统的现浇剪力墙结构，各墙肢轴压比的计算值往往较小，墙体配筋为构造配筋，墙体承载能力没有发挥出来，工程费用偏高。这时，若采用一种改进的现浇剪力墙结构，属于联肢剪力墙的短肢剪力墙结构(整体系数控制在3.5左右)，以上不足就可以得到解决。短肢剪力墙结构的具体做法是:利用位于建筑平面中部抗侧刚度很大的楼梯间、电梯间作为一个抵抗水平力的抗剪核心筒，这个核心筒有多片剪力墙组成，用以抵抗大部分由风荷载和地震作用引起的水平力。在7度区，20层以下的高层住宅采用短肢剪力墙结构，结构顶点位移、周期、底部剪力一般均可控制在合理范围内。

2.2 框支剪力墙结构

底部大空间剪力墙结构是指全落地剪力墙和框架支承的剪力墙协同工作的结构体系。这种结构体系在底层为商店，上层为住宅，旅馆的建筑中经常被采用。但是这种体系的抗震性能不好，因为上层剪力墙结构抗侧刚度很大，而下层框架一剪力墙刚度较小;结构刚度沿竖向变化悬殊，有时达4-6倍，使得结构在水平力作用下容易产生应力集中和变形集中。下层的刚度应不小于上层刚度的70%。在框支剪力墙结构中，为了减小上下层的刚度比，不采用加大下层刚度的方法，而采取减小上部剪力墙体系的刚度即改用短肢剪力墙体系，经济效果就十分明显了。改进后保留的短肢墙的数量主要取决于结构刚度的要求，要使结构的顶点位移和层间位移满足规范要求，并使底部剪力系数控制在合理的范围内。

2.3 层数较多的高层住宅

在层数较多的高层建筑中，如采用短肢剪力墙体系，就使得结构较柔，结构顶点位移和层间位移就不一定能满足规范要求，底部剪力系数也偏低，结构趋于不安全。因此层数较多的高层住宅，最好采用整体性系数 接近10的联肢剪力墙。

3 在高层建筑中剪力墙结构设计注意事项

剪力墙的布置宜沿着主轴方向或其他方向双向布置;有抗震要求的剪力墙，应避免仅单向有墙的结构形式。墙肢截面宜简单、规则，侧向刚度不宜过大。高层建筑结构不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构。短肢剪力墙较多的时候应布置筒体(或一般剪力墙)形成短肢剪力墙与筒体(或一般剪力墙)共同抵抗水平力的剪力墙结构。抗震设计时短肢剪力墙的抗震等级应比规定的剪力墙抗震等级提高以及采用;在抗震等级为一、二、三时不宜大于0.5,0.6,0.7;对于无翼缘或端柱的一字形短肢剪力墙其轴压比应降低0.10短肢剪力墙截面厚度不应小于200mm。

剪力墙宜至下到上连续布置，避免刚度突变。

按三、四级抗震等级设计的剪力强戒面厚度底部加强部位不应小于层高和剪力墙无支长度的1/20，且不应小于160mm;其他部位不应小于层高或剪力墙无支民度的1/25且不应小于160mm。

高度不大于150m的剪力墙结构，其楼层层间最大位移与层高之比△ulh}1/1000。

平面不规则而竖向规则的建筑结构应采用空间结构计算模型并应符合下列要求:1)扭转不规则时应计及扭转影响且楼层竖向构件最大的弹性水平位移和层间位移分别小宜大十楼层两端弹性水平位移和层间位移平均值的1.5倍;2)凹凸不规则或楼板局部不连续时应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型当平面不对称时尚应计及扭转影响。

抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度小宜小十相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%。当把地下室顶板作为上部结构的嵌固端时，地下室的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍。

参考文献

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[2]王法武.高层框架及剪力墙结构的侧移优化设计，工业建筑，2006.

[3]包世华.新编高层建筑结构，中国水利水电出版社，2001.