高层建筑剪力墙结构设计的几点体会

刘莉

摘要：本文通过对高层建筑剪力墙结构设计中普遍存在的一些问题的概述，以及对这些问题的处理，反映概念设计的重要性。结构设计只有在方案阶段主动与建筑专业合作，用自身拥有的结构受力，变形的整体概念去构思结构方案。通过概念来确定结构设计方案的可行性。这样，在施工图设计阶段就不会引起较大的变更和反复，从而提高了设计效率。

关键词：剪力墙高厚比位移比和周期比质心和刚心墙体稳定性

短肢剪力墙 地下室外墙

随着社会经济的发展和国家关于土地方面政策的下达，提高建筑容积率、节约土地是摆在我们面前的主要问题。所以高层民用建筑越来越受到人们的重视，并已得到普遍应用。这使得我们设计人员都有机会参与高层建筑的设计。高层建筑不仅房屋高度越来越高，建筑功能越来越复杂，而且立面造型也越来越要求完美。现在的建筑行业几乎都存在一个问题，只要方案一确定，向开发商提交施工图的时间已接近后期. 最终结构工程师怎样才能更快更好的完成结构设计呢？

众所周知，结构设计只有在方案阶段主动与建筑专业合作，用自身拥有的结构受力，变形的整体概念去构思结构方案。通过概念来确定结构设计方案的可行性。这样，在施工图设计阶段就不会引起较大的变更和反复，从而提高设计效率。

因为剪力墙在建筑上有布置灵活，室内无结构突出棱角，便于装修等优点。结构上有刚度大，在水平荷载作用下，侧位移少，能够抵抗较多的水平力等优点，因此在高层建筑结构中广泛被采用。

高层建筑剪力墙结构初步设计时总会遇到下面一些问题：位移比，周期比不满足规范要求；剪力墙之间连梁容易超筋，连梁截面高度加大更超筋；第一，第二振型出现结构扭转超标。这就需要结构工程师调整结构方案，建立合理计算模型，使得上述问题得到完美解决，并满足规范要求。

高层建筑剪力墙结构设计中，首先方案应合理布置，结构工程师应同项目建筑师共同分析建筑图，找出计算中可能存在的薄弱部位，扭转部位等。抓住主要矛盾，注意关键几步，那么在后来的模型计算或施工图审查中较容易过关。现把个人设计中的几点体会作简单总结，和设计同行们交流探讨。

1. 剪力墙布置原则。剪力墙布置要分散,双向,对称及沿建筑物周边等，以减少结构扭转效应。剪力墙截面形式一般采用L形,T形，十字形，应避免一字形截面。当房屋纵向长度超出规范限值时，剪力墙不宜集中布置在房屋两端。否则应在平面中适当部位设置温度缝或施工后浇带以减少混凝土硬化过程中的收缩应力影响。结构尽量布置一般剪力墙（墙肢截面高厚比大于8），局部布置短肢剪力墙（截面高度不大于300,墙肢截面高厚比在4~8之间）。当墙肢截面高厚比不大于4时，宜按框架柱设计,见《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第7.1.7条。

2. 由于短肢剪力墙受力不利，规范要求较严且明确规定不应全部采用。结构还应布置一定数量的一般剪力墙, 见《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第7.1.8条。当结构存在部分短肢剪力墙时，应在结构计算后看结果显示：1.底层短肢剪力墙所承担的地震倾覆力矩不宜超过结构总地震倾覆力矩的50%。2.底层短肢剪力墙所承担的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩的比值在30%~50%之间，按短肢剪力墙结构处理，从严采取措施，并满足规范关于短肢剪力墙的各项要求。2.底层短肢剪力墙所承担的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩的比值小于30%时，为一般剪力墙结构。

3. 剪力墙厚度。剪力墙厚度除一方面需满足建筑功能及节能要求，结构满足承载力，稳定性要求外，还需遵守相关规范的规定。规范有些条文看似简单，但真正实施却容易疏忽。《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第6.4.1条明确规定剪力墙厚度按层高或无支长度的比例取值。

a. 抗震墙的厚度，一，二级不应小于160mm且不宜小于层高或无支长度的1/20，三，四级不应小于140mm且不宜小于层高或无支长度的1/25；无端柱或翼墙时，一，二级不宜小于层高或无支长度的1/16，三，四级不宜小于层高或无支长度的1/20；

b. 底部加强部位的墙厚，一，二级不应小于200mm且不宜小于层高或无支长度的1/16，三，四级不应小于160mm且不宜小于层高或无支长度的1/20；无端柱或翼墙时，一，二级不宜小于层高或无支长度的1/12，三，四级不宜小于层高或无支长度的1/16；

一般上部结构剪力墙厚度都注意按规范规定取值，却容易忽略地下室墙体厚度。结构建模中地下室部分一般是从上部一层复制。结构试算后，计算结果无异常。若此时地下室层高较大时，就会隐藏隐患。地下室外墙由于承受周边侧压力，墙体厚度一般取值较大。不会出现墙体厚度不满足规范要求。那么地下室内墙墙体厚度不满足规范规定问题，就会在校核阶段或施工图审查时暴露。《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第7.2.1条规定，当墙体厚度不满足要求时，应按《高层建筑混凝土结构技术规程》附录D計算墙体的稳定。若墙体的稳定不足，结构施工图纸必然返工。

4. 剪力墙平面外楼面梁锚固。剪力墙在其平面内刚度及承载力很大，但平面外刚度及承载力却相对较小。当剪力墙与平面外的楼面梁连接时，会引起剪力墙平面外的弯矩，而一般情况并不验算平面外刚度及承载力。因此，当剪力墙平面外连接有楼面梁时，为了减少楼面梁端部弯矩对剪力墙的不利影响，《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第7.1.6条采取如下措施。

a. 沿楼面梁轴线方向设置与其相连的剪力墙。

b. 当不能设置与楼面梁轴线方向相连的剪力墙时，宜在墙与梁相交处设置扶壁柱。扶壁柱宜按计算确定截面及配筋。

c. 当不能设置扶壁柱时，应在墙与梁相交处设置暗柱，并宜按计算确定配筋。

d. 必要时，剪力墙内可设置型钢。

e. 楼面梁水平锚固长度不足时，将楼面梁伸出墙面形成梁头，梁纵筋伸入梁头后弯折锚固。

对于以上措施，如果建筑平面布置允许，我们就按其中较合适的一项处理即可。但大多数情况以上措施不能执行。例如沿楼面梁轴线方向设置与其相连的剪力墙或扶壁柱时，作为剪力墙翼缘或端柱应满足《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第7.2.15条表注第2条要求：翼墙长度小于其厚度3倍或端柱截面边长小于墙厚的2倍时，视为无翼墙或无端柱。

剪力墙与平面外的楼面梁连接部位一般情况下出现在下面部位：外墙转角处，分户墙处窗洞处，采光井处及建筑立面要求造型处等空间较小的位置处。如果按剪力墙翼缘或端柱取值规定，建筑平立面就会受到影响。碰到这种情况，个人一般处理如下：

a. 剪力墙厚度不满足楼面梁纵筋的锚固长度时。按钢筋受拉承载力设计值相等的原则将大直径纵筋换算成小直径，以减少锚固长度。

b. 剪力墙平面外增加短墙，以增加楼面梁纵筋的锚固长度。短墙可在施工图中直接编辑。也可输入模型中参与计算，不过在计算过程中会提示短墙警告，根据SATWE使用说明书，可以不作理会。

c. 采取机械锚固，在梁端增加短筋或钢板与纵筋焊接。

关于《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第7.1.6第c点设置暗柱，结构模型通过PKPM程序计算后，混凝土剪力墙生成施工图时，如果梁端剪力较大时，在墙与梁相交处会自动设置暗柱，否则按以上几点处理即可。

5. 扭转振型位置不合理。由于开发商对建筑平面功能布置要求完美，及建筑立面造型的需要。建筑物很难做到完全对称。这样整栋建筑物质心和刚心位置必然存在差异，在地震作用或风荷载作用下产生结构扭转。如果结构方案布置不合理，扭转振型位置会出现异常。

一般结构方案布置合理，扭转振型会出现在第三振型以后。《抗震设计规范》GB50011-2010第3.5.3条也要求“结构在两个主轴方向的动力特性（周期和位移）宜相近”。但是结构方案布置后在最初的试算时扭转振型往往会出现在第二振型，甚至在第一振型。根据这几年的设计经验，扭转振型如果出现在第一，二振型时，通过人为调整，提高抗扭刚度。利用结构周期与刚度反比关系，提高需要减少周期方向的刚度或减少需要增大周期方向的刚度，可获得较好的效果。那么试试作以下处理：

a. 扭转振型出现在第一振型时，首先看看第一振型的结构自振周期数值。一般剪力墙结构自振周期按0.06n（n为层数），如果计算后结构自振周期远远小于0.06n，说明结构布置过刚，需减少结构内部刚度（如减少剪力墙数量，降低混凝土强度等级等）以达到减少平动周期，增加周边扭转周期的目的。扭转振型出现在第一振型，结构周期比（结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比。《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第3.4.5条：A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑不应大于0.85）肯定不满足规范要求。

b. 扭转振型出现在第二振型时，且地震不利方向不超过15度时。说明结构沿两个主轴方向的抗侧移刚度相差较大，结构的抗侧移刚度相对其中一主轴的抗侧移刚度合理，但相对于另一主轴的抗侧移刚度过小，此时适当减少结构内部刚度较大的一主轴，并相应加强这主轴结构外围的刚度（如增加剪力墙长度或厚度，增加框架梁高度等），出现这种情况，结构周期比较难满足规范要求。

c. 扭转振型出现在第二振型时，且地震不利方向超过15度时。结构位移比（楼层的最大弹性水平位移或层间位移与该楼层两端弹性水平位移或层间位移的平均值之比，《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第3.4.5条：A级高度高层建筑不宜大于1.2，不应大于1.5；B级高度高层建筑不宜大于1.2，不应大于1.4）较难满足规范要求。对于建筑平面特别复杂的时侯，容易出现这种情况。

首先查看平面质心和刚性位置图，根据两者偏移位置，合理调整结构构件布置，即加大质心一侧楼层抗侧力构件的刚度，如增加剪力墙长度或厚度；加大框架柱截面；增加框架梁高度等这样反复调整后，直到质心和刚性位置接近。两者位置很接近时，查看振型，周期计算结果WZQ.OUT,扭转振型已转移到第三振型，地震不利方向也不超过15度，结构周期比也满足规范要求。查看平面配筋图，会发现原来结构内部中跨高比很小的连梁有原来的超筋转变为正常的配筋。

6. 无上部建筑的地下室顶梁的裂缝控制。当地下室范围大于上部建筑时，有无上部建筑地下室顶梁是作为一个整体参与计算，所以在作施工图设计时很容易忽略一个问题，那就是无上部建筑的地下室顶梁的裂缝控制问题。这部分梁上部一般都有很厚的覆土，又处于露天环境。根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010第3.5.2条规定，环境类别应取为二a类。再根据第3.4.5条，环境类别为二类时，钢筋混凝土结构裂缝控制等级应为三级，最大裂缝宽度限制应为0.2。所以在作施工图设计时应对地下室顶梁按有无上部建筑分别对待。

7. 地下室外墙垂直分布筋放置位置。地下室外墙厚度一般远小于基础底板，地下室内墙间距又大小不等，有的相距较远。因此在工程设计中一般把地下室顶板和地下室基础底板作为地下室外墙的支点按单向板（单跨，两跨或多跨，具体看地下室层数）计算。计算时地下室基础底板处按固定端，地下室顶板处按铰支座处理。由于地下室外墙底部承受很大的负弯矩。为了增加地下室外墙截面有效高度，地下室外墙垂直分布筋应放在水平分布筋外侧。另外，考虑到混凝土硬化过程及受温度应力影响，地下室外墙与内墙交接处负弯矩效应等影响，可能产生竖向收缩裂缝，因此地下室外墙水平分布筋也宜适当增大。此时施工图中对于地下室外墙应加节点大样或说明其与上部剪力墙配筋形式的不同。

以上是个人在高层剪力墙结构设计中的几点体会，并已在工程实践中得以驗证。作为结构工程师在结构设计中都会遇到各种各样的问题，我们应认真分析问题产生的原因，从中找到解决问题的办法，最终能更快更好的完成项目结构设计。

参 考文献

1)GB50010-2010《混凝土结构设计规范》中国建筑工业出版社 2010北京

2)GB50011-2010《建筑抗震设计规范》中国建筑工业出版社 2010北京

3)JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中国建筑工业出版社 2010北京