浅谈高层建筑剪力墙结构设计要点

2011-08-15李桂萍

科学之友 2011年12期

关键词：墙肢连梁剪力墙

李桂萍

（南宁市规划局，广西南宁 530000）

相对于框架结构，剪力墙结构更为简洁、宽敞，使用功能更好，为住户的自行改造增大了灵活性，加大了使用面积，因而广泛受到建筑师和业主的欢迎。但由于短肢剪力墙结构抗震性能较差，且地震区应用经验不多。因此，剪力墙结构在设计时要注意许多问题。

1 高层建筑的结构受力特点

1.1 轴向变形

高层建筑的竖向荷载一般较大，会在柱中引起相当大的轴向变形从而影响连续梁弯矩，同时还会影响预制构件的下料长度。因此必须考虑轴向变形计算值，对下料长度作相应调整。

1.2 水平荷载

对于一定高度范围的高层建筑而言，竖向荷载基本固定不变，而包括风荷载与地震作用的水平荷载的数值，则会随结构动力特性的区别而发生较大范围的变化。

1.3 侧移的控制

结构侧移是高层建筑结构设计的关键。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形会随着建筑高度的升高而迅速增大。基于这一原因，水平荷载作用下的侧移必须严格控制在一定范围内。

1.4 结构延性

高层建筑比矮层楼房的结构更柔和，因此遇到地震等剧烈震动时所发生的形变会更大。为保证建筑在塑性变形阶段中仍能具备强变形能力，必须在结构设计上采取相应措施以保证结构的延性。

2 剪力墙结构的特点

剪力墙是一种能较好的抵抗水平荷载的墙。剪力墙由于能有效抵抗水平荷载，因此在总体的墙面结构上具有以下特点：抗侧刚度大，侧移小；室内墙面较为平整；结构自重大，吸收地震的能量大；一般剪力墙的墙肢截面高度与厚度之比很大，在水平荷载的作用下，通常抗剪刚度起控制作用，故其耗能较差。所以它常常应用在层数较多（20层以上）的高层建筑中，当剪力墙洞口较小时，剪力墙整体性能比较好，剪力墙截面弯曲破坏极限承载力可以按照全截面抗弯计算。另外，采用剪力墙结构，会使室内较框架结构简洁，没有露梁和露柱现象，外形美观，便于室内布置。但也存在缺点，例如剪力墙结构的抗侧刚度大，会引起较大地震反应，使得上部结构和基础费用增加；由于混凝土墙体较多，使得建筑物重量增加，这也同样引起较大地震反应，进而造成浪费；剪力墙结构中各墙肢轴压比往往较低，使得各墙肢的承载能力得不到充分发挥；剪力墙结构中墙体多为构造配筋，配筋率均较低，使得结构延性较差。

3 剪力墙结构的设计要点

剪力墙作为竖向构件是形成结构抗侧力刚度的最主要构件，它在建筑中承担着整个结构的竖向荷载和绝大部分水平荷载。剪力墙建筑结构的设计应注意以下几个方面：

3.1 剪力墙布置

剪力墙布置必须均匀合理，使整个建筑物的质心和刚心趋于重合，且x、y两向的刚重比接近。在结构布置时应尽量避免仅单向有墙的结构布置形式，以使其具有较好的空间工作性能，并且使两个受力方向的抗侧刚度接近，若无法避免，则剪力墙相应部位应设置暗柱，当梁高大于墙厚的 2.5倍时，应计算暗柱配筋，转角处墙肢应尽可能长，因转角处应力容易集中，有条件两个方向均应布置成长墙。

3.2 剪力墙厚度确定

剪力墙墙肢截面比较适宜简单、规则，剪力墙的竖向刚度应均匀，其门窗洞口最好成列布置、上下对齐，形成明确的连梁和墙肢。避免使墙肢刚度相差悬殊的洞口设置，在抗震结构设计时，一、二、三级抗震等级剪力墙的底部加强部位最好不要采用错洞墙，二、三级抗震等级的剪力墙均不宜采用叠合错洞墙。

《高层建筑混凝土结构技术规程》中对剪力墙的截面尺寸具体规定如下：“按一、二级抗震等级设计的剪力墙的截面厚度，底部加强部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/16，且不应小于200 mm，其他部位不应小于层高或剪力墙的1/20，且不应小于160 mm；按三、四级抗震等级设计的剪力墙的截面厚度，底部加强部位不应小于层高或剪力墙元支长度的1/20，且不应小于160 mm，其他部位不应小于层高或剪力墙的1/25，且不应小于180 mm。”

3.3 剪力墙墙体配筋

一般要求水平钢筋放在外侧，竖向钢筋放在内侧。配筋满足计算及规范建议的最小配筋率即可。加强区φ10@200，非加强区φ8@200双层双向即可。双排钢筋之间采用φ6@600×600拉筋。但地下部分墙体配筋则另当别论。因为地下部分墙体配筋大多由水压力、土压力产生的侧压力控制，而由于简化计算经常由竖向筋控制，此种情况下为增大计算墙体有效高度，可将地下部分墙体的水平筋放在内侧，竖向钢筋放在外侧。

3.4 设置边缘构件

对于普通剪力墙，其暗柱配筋满足规范要求的最小配筋率，建议加强区 0.7%，一般部位 0.5%。对于短肢剪力墙，控制配筋率加强区 1.2%，一般部位 1.0%；对于小墙肢其受力性能较差，应严格按高规控制其轴压比，宜按框架柱进行截面设计，并应控制其纵向钢筋配筋率加强区 1.2%，一般部位 1.0%；而对于一个方向长肢另一方向短肢的墙体，设计中往往就按长肢墙进行暗柱配筋。

4 工程实例

4.1 工程概况

某工程，总建筑面积为12 570 m2，采用短肢剪力墙结构，为12层住宅楼，层高3 m，顶层为复式住宅，屋顶为四坡屋面。

4.2 剪力墙结构设计

由于整个楼层的建筑平面较为复杂，采用在○14和○15轴间设置双墙防震缝，在○D和○E轴间设置悬挑构件抗震缝的处理方法，将平面分成相对独立的 4个部分，各部分的长宽比 L1/B1max＝29/9.4＝3.09＜5，L2/B2max＝117.52/17.02＝1.03＜5。高宽比 Hl/B1＝37.44/9.4＝3.98＜6。H2/B2＝41.94/17.02＝2.46＜6，符合规范要求。结构层高1层～12层为3.0 m，坡屋面层高0.55～2.47 m，坡度为40%。平面的南侧拐角处设有阳光房，平面突出的部分为六边形，突出长度为2.1 m，L/Bmax＜0.3，符合规则建筑平面布置要求。

4.3 结构设计的主要参数

场地类型为II类建筑场地，剪力墙抗震等级为二级。水平地震作用按x，y两个方向计算。同时考虑扭转耦联，周期折减系数0.85，计算取9个振型，结构阻尼比0.05，竖向力按模拟施工加载方式计算，恒活荷载分开计算。修正后的基本风压为0.35，地面粗糙度为B类，结构体型系数为1.4。连梁刚度折减系数0.7，地震力分项系数为1.3，风荷载分项系数为1.4，恒荷载分项系数为1.2，活荷载分项系数为1.4。

本工程基础采用钢筋混凝土墙下条基（有肋梁），剪力墙厚度内外墙均为200 mm，连梁截面b×h为200×（370～570） mm，楼板厚度100～130 mm，混凝土强度等级为C35C25。地基采用天然地基，以③层黏土层作为持力层，Es＝15 MPa，fak＝300 kPa。

4.4 剪力墙的布置

按照抗震设计要求，结合窗间墙、楼梯间及房间四角等布置成“一”字形、“L”形、“T”，形、“Z”形或“十”字形墙段，沿结构平面各主轴方向均匀、对称布置，做到刚心和质心重合，减少结构扭转。各墙肢肢长不宜相差太大，截面高厚比可以控制在5～8之间，避免出现高厚比小于3的小墙肢，使各墙肢刚度接近，保证在水平地震力作用下，各墙肢受力均匀，避免个别长墙因内力太大而出现超筋。另外在④～⑥轴，⑩～⑥轴间形成4个较为完整的弱筒，以增强整个结构的抗侧力性。在竖向，要求墙肢上下对齐、连续。在同一轴线上的各墙肢通过连系梁连接，可增加对墙肢的约束，提高结构的抗震性能。为了保证连梁具有较好的刚度和延性，取其跨高比为4≤l/h≤8较为合适。

4.5 墙肢截面设计

塔楼周围及肢长/肢宽＜3的小墙肢均按框架柱的抗震要求配置纵筋及箍筋，并降低轴压比提高要求。连梁高度的设计计算从剪力墙洞顶至楼板面或屋面，窗间墙和窗台以下墙体采用轻质材料砌筑。连梁正截面配筋按矩形截面构件计算，取上、下配筋两者之中的较大值，配置于梁截面上、下部位，考虑到施工因素，一般每排布置2根纵筋为宜，也可根据墙厚适当增加。按斜截面抗剪计算所得的箍筋沿梁全长加密布置，对于个别连梁由于跨高比较大、刚度大，可能出现超筋，地震作用下允许其局部出现裂缝，可将连梁刚度折减。为保证结构平面刚度，楼层最小板厚100 mm，在南侧阳光房塔楼处适当增加厚度。