高层建筑悬臂剪力墙的承载力和延性设计分析

2010-12-08张昆鹏郭浩勋

黄河水利职业技术学院学报 2010年2期

张昆鹏，郭浩勋

（1.海南京创国际建筑设计研究有限公司，海南海口 570125；2.煤炭工业郑州设计研究院有限公司，河南郑州 450007）

0 引言

近年来，高强、高性能混凝土的发展促进了高层钢筋混凝土建筑的发展。钢筋混凝土高层建筑中，剪力墙是常见的结构形式。剪力墙具有较大的刚度，是一种很好的抗侧力构件，在地震作用下的变形小、破坏程度低。经过延性设计的剪力墙和框架—剪力墙等结构，能抵抗强烈地震，在地震中具有裂而不倒的良好性能[1]。高层结构中的钢筋混凝土剪力墙，抗震性能较钢结构差，必须经过精心设计和施工，才能保证其承载力，并取得较好的延性性能。

根据受力特点，剪力墙可分为悬臂墙、整体小开口墙、联肢墙、壁式框架等几种形式。其中悬臂剪力墙是其基本形式。笔者试对悬臂剪力墙的承载力和延性设计进行探讨。

1 悬臂剪力墙的特点

1.1 受力特点

悬臂剪力墙的每个墙肢相当于一个独立悬臂构件。墙肢自身截面上的正应力呈直线型分布，沿墙肢的高度方向上不发生突变，也不出现反弯点。具体受力特点如图1 所示。

1.2 设计要求

悬臂剪力墙可能出现弯曲、剪切、锚固或施工缝滑移等多种破坏形态。剪力墙的设计，要求防止出现剪切、锚固、滑移等破坏，充分发挥弯曲作用下的钢筋抗拉作用，使剪力墙具有良好的延性。

2 悬臂剪力墙的承载力计算

图1 悬臂剪力墙的受力图Fig.1 Force of cantilever shear wall

悬臂剪力墙承受竖向重力荷载（某些情况尚需考虑竖向地震作用），并同时受到水平作用（地震或风）。而高层建筑剪力墙主要受到的水平作用力。

2.1 正截面偏心受压承载力

依据现行国家标准《混凝土结构设计规范》，验算剪力墙正截面偏心受压承载力时，假定截面保持平面，不考虑混凝土受拉、受压的本构关系，混凝土受压区按等效矩形应力图简化。我国现行《高层建筑混凝土结构技术规程》假定，在剪力墙腹板中1.5 倍的受压区范围之外，拉区分布筋全部屈服，中和轴附近拉压应力都很小，压区分布筋应力很小。因此，计算时忽略1.5 倍压区范围之内分布筋的作用，采取了如下的计算方法[2]。

式中：N 为轴向压力设计值；AS、A's为受拉区、受压区纵向非预应力钢筋的截面面积；F'y为剪力墙受压钢筋强度设计值；e0为偏心距；a's为剪力墙受压区端部钢筋合力点到受压区边缘的距离。

2.2 斜截面抗剪承载力

剪力墙斜截面设计旨在通过计算确定墙中水平钢筋，防止发生剪切破坏。偏压构件中，轴力有利于抗剪，但当压力增大到一定程度后，这种有利作用就会减小，因此对有利轴力的取值有所限制。偏拉构件中，轴力不利于抗剪，需考虑轴拉力的不利影响。验算方法[2]为

式中：V 为剪力墙截面剪力设计值；hw0为剪力墙截面有效高度；λ 为计算截面处的剪跨比；A 为剪力墙截面面积； Aw为T 形、I 形截面剪力墙腹板的面积，矩形截面时应取A； S 为剪力墙水平分布钢筋间距。

公式（2）为偏压构件的验算方法，若是遇到偏拉构件，括号内加号改为减号。

2.3 施工缝的抗滑移承载力

按一级抗震设计的剪力墙，要防止水平施工缝处的滑移破坏。考虑了摩擦力的有利因素后，要验算通过施工缝的竖向钢筋是否足以抵抗水平剪力。当配置的竖向钢筋不足以抵抗时，须设置附加插筋。验算方法[2]如下。

式中： Vwj为水平施工缝处考虑地震作用组合的剪力设计值； As 为水平施工缝处剪力墙腹板内竖向分布钢筋、竖向插筋的边缘构件（不包括两侧翼墙）纵向钢筋的总截面面积； fy为竖向钢筋拉强度设计值；N 为水平施工缝处考虑地震作用组合的不利轴向力设计值，压力取正值，拉力取负值。

3 悬臂剪力墙的延性设计

对剪力墙进行延性设计是为了保证剪力墙的塑性变形能力，进而耗散相当多的地震力，以期实现大震不倒的抗震设防目标。要使悬臂剪力墙具有良好的延性，就要充分发挥剪力墙中延性钢筋的抗拉作用，使剪力墙的塑性铰有足够的转动能力。可从以下几个方面全面考虑。

3.1 减小截面受压高度或增加混凝土极限压应变

在弯曲破坏条件下，影响剪力墙延性的因素是相对受压区高度，减小截面受压区高度或增大混凝土极限压应变，均能增加截面的极限曲率，从而提高剪力墙的延性。其具体方法为：

（1）在墙肢两端设置暗柱或端柱。暗柱或端柱内箍筋可以约束混凝土，提高混凝土极限压应变εcu。端柱形成的边框还能阻止剪切裂缝迅速贯通全墙，对抗震性能很有利。在腹板混凝土酥裂后，端柱仍可抗弯剪，剪力墙不致倒塌。试验表明，在周期反复荷载作用下，设有暗柱的剪力墙比不设暗柱的剪力墙多消耗地震能量23%左右。

当墙肢截面的曲率延性系数不能满足抗震要求时，还应设置约束边缘构件，增大墙肢边缘混凝土的极限压应变。

（2）墙肢端部设置钢骨。试验表明，压弯破坏的无边框钢骨混凝土剪力墙在达到最大荷载时，端部钢骨均屈服。钢骨屈服后，周围混凝土剥落，产生剪切滑移破坏或腹板剪压破坏。设置钢骨暗柱，且钢骨强轴与墙肢长方向平行，可以提高剪力墙平面外刚度，防止平面外错断破坏，提高剪力墙的延性。

3.2 提高塑性铰区的变形能力

塑性铰的位置可以通过配筋设计加以控制，但由于剪力墙底截面弯矩和剪力均最大，塑性铰通常在底部截面出现。故应使剪力墙的塑性铰限制在底部加强区，通过抗震措施提高变形能力，以增加剪力墙的延性。塑性铰的长度一般为0.3~0.8 倍墙肢截面长。适当提高塑性铰范围及其以上相邻范围的承载力、加强抗震构造措施，对于提高剪力墙的抗震延性非常有用。

3.2.1 合理确定底部加强区高度

剪力墙的底部加强部位包括底部塑性铰范围及其上部的一定范围。一般剪力墙结构的底部加强部位高度可取墙肢总高度的1/8 和底部两层二者的较大值。

3.2.2 提高底部加强区抗剪能力

对底部加强区的剪力设计值适当放大，以求墙肢的受剪承载力大于构件弯曲时实际达到的剪力。应当注意，规范规定的放大系数是以超配钢筋不超过计算配筋10%为前提的，在放大剪力的同时，不能随意增加受弯承载力。

3.3 防止剪切破坏

在塑性铰区，首先必须按强剪弱弯的原则设计，用截面屈服时的剪力进行抗剪验算，保证在抗弯纵筋屈服前墙体不被剪坏。其次要严格控制剪压比和墙分布筋数量，防止腹板混凝土剪切破坏。剪拉破坏属于脆性破坏，可以通过配置水平和竖向分布钢筋防止。斜压破坏可通过限制受剪截面的剪压比避免。

剪压破坏是最常见的剪切破坏，其过程为：墙肢在水平和竖向力作用下，出现水平裂缝或细的倾斜裂缝，随着水平力的增大，出现一条逐渐延伸的主要斜裂缝，从而引起混凝土受压区减小。斜裂缝尽端的受压混凝土在剪压复合应力作用下被破坏，水平钢筋屈服。应通过加强配筋构造来避免这种情况发生。

3.4 防止施工缝处滑移破坏

剪力墙施工均存在水平施工缝，由此形成薄弱部位。在强烈地震作用下，这些部位可能出现滑移破坏。这种滑移破坏主要依靠竖向钢筋和施工缝处摩擦力抵抗，因此，要对剪力墙施工缝处的竖向钢筋进行验算。验算时可忽略混凝土的作用，考虑轴压力的摩擦作用和轴拉力的不利影响。由于施工缝处竖向钢筋处于复合受力状态，应对钢筋设计强度予以折减。进行轴向力计算时，受压时有利，重力荷载的分项系数取1.0；受拉时不利，取为1.2。