剪力墙结构内力计算与设计要点探讨

摘要：剪力墙结构内力计算与设计是建筑设计的重要组成部分，设计人员在设计过程中应该遵循一定的原则。文章将从剪力墙结构内力计算与设计的基本前提和要点出发，进行探讨。

关键词：剪力墙；结构内力；计算；设计方法

中图分类号：TU398+.2文献标识码：A文章编号：

Abstract: the shear wall structure internal force calculation and design is an important part of building design, design personnel in the design process should follow some principles. This article will from the shear wall structure internal force calculation and design and the key points of the basic premise, are discussed.

Keywords: shear wall; Structural internal force; Computing; Design method

為了能使框架和剪力墙，这两种抗侧构件取长补短，一起抵抗水平荷载，在框架结构中设置部分剪力墙，这样就可以组成框架一剪力墙结构体系。如果剪力墙布置成筒体，也可以叫做框架一筒体结构体系。从实际情况上看，相对单片剪力墙，这种简体的承载能力、侧向刚度和抗扭能力都更高，一般用于更高的建筑结构。而在结构布置上，也可以有效的提高材料利用率。在建筑布置上，则往往可利用简体作为电梯间、楼梯间和竖向管道的通道。如果建筑层数为10～20层时，那单片剪力墙可以作为基本单元。

在一般的框架一剪力墙结构中，刚度大的剪力墙将承担80％～90％的水平力，是抗侧力的主体，从而使整个结构的侧向刚度大大提高。框架主要是承担竖向荷载，也可以提供较大的使用空间，这便于多功能的建筑布置。

一、框架一剪力墙结构的受力及变形

（一）框架一剪力墙结构的变形特点

通常情况下，纯框架的工作与竖向悬臂剪切梁相似，即在水平荷载作用下的变形是呈剪切型的，水平位移增长与楼层高低成反比。在所有的纯框架结构中，一切结构单元变形都是相似的，水平力按框架柱的抗侧刚度D值分配。

剪力墙的结构是竖向悬臂弯曲，其变形曲线呈弯曲型，水平位移增长与楼层高度成正比。在纯剪力墙结构中，所有的抗侧单元位移曲线相似。因为，在框架一剪力墙结构中，这两种不同类型的结构单元，都是通过平面刚度大的楼板组织工作的，具有共同抵抗水平荷载的职能，所以变形一定要协调。所以，在框架一剪力墙结构在水平力作用下，水平位移不是由顶点水平位移控制，而是由楼层层问位移与层高之比﹙△u/h﹚控制。层间位移的最大值通常发生在(0.4～0.8)H高度内的楼层，H为建筑物总高度。

从理论上看，框架一剪力墙结构比框架结构的刚度和承载能力都高，层间变形在水平荷载作用下减小，所以也就降低了非结构构件的损坏程度。因此，不管是在非地震区，还是地震区，这种结构型式都可用来建造较高的高层建筑。

（二）框架一剪力墙结构协同工作的受力特点

因为框架和剪力墙在水平力作用下，各自会显示出不一样的变形特点，但是在刚度无限大的楼板连接作用之下，各个部分是不能实现自由变形的，在同一楼层高度处的变形必然是一致的，所以这两者之间肯定会存在相互作用力。

(1)剪力墙会阻止框架的水平位移，让它受到与外力相反的力，因为在正常情况下，剪力墙将会承担大部分水平荷载，而附加水平力会因为下部楼层框架的层间侧移大，而剪力墙的位移小。，剪力墙在上部楼层的层间变形大，框架阻止其变形使墙受与外力相反的力。框架和剪力墙之间的这种相互作用力，也叫附加水平力。

(2)剪力墙受力特点

在下部楼层，剪力墙承受大部分水平力及框架作用给它的附加水平力。在上部楼层，由于剪力墙的位移呈外倒的趋势，剪力墙不但不承受外荷载产生的水平剪力，反而给框架一个附加推力，从而产生负剪力。

(3)框架受力特点

在下部楼层承受很少外荷载产生的水平剪力，在上部楼层承受水平力产生的剪力及剪力墙的附加水平推力产生的剪力。分布状况是：中间大，下部小，分布均匀。

(4)水平力分配

剪力墙承受的荷载，下部大于外荷载，上部呈逐渐减小趋势，顶部有负集中力。框架在下部为负荷载，上部为正荷载，顶部有正集中力。顶点集中力是框架和剪力墙变形协调所需要的，因为集中力的存在，使得框架和剪力墙在顶部的剪力通常都不会是零。

二、框架一剪力墙结构布置规定

（一）双向抗侧力体系

剪力墙在框架——剪力墙结构中是主要抗侧力构件。因此，设计人员在抗震设计的过程中，必须要在两个主轴方向都布置剪力墙，构成双向抗侧力体系。这么做的原因是，仅在一个主轴方向布置剪力墙，最终会导致两个主轴方向的抗侧刚度相差过大，这就造成无剪力墙的方向刚度不足，同时也会带有纯框架的性质，这样就会与有剪力墙的另一向相冲突，最终可能会造成结构整体扭转。现行的《高层规程》是有强制性条文规定的。此外，地震作用的大小与建筑的重力荷载有关，所以应该保证结构两个主轴方向的侧向刚度尽可能的接近。

（二）刚性连接及构件对中布置

为达到整体结构的几何不变和刚度的发挥的目的，在框架——剪力墙结构中，主体结构构件间的连接(节点)应该要采用刚接。与此同时，结构在大震下的稳定性和实现耗能设计可以在较多的赘余约束中实现。但是，个别节点因为要调整个别梁的内力分布，从而避免因为沉降不均而产生过大内力等因素，也是需要采用梁端与柱或剪力墙铰接的形式的，不过必须要要注意的是，结构的几何必须保持不变，同时结构整体分析简图要与之相符。

（三）剪力墙布置

因为剪力墙的刚度往往是比较大的，二期其数量和布置不同时，对结构整体刚度和刚心位置影响也很大，所以在框架——剪力墙结构中，处理好剪力墙的布置就成了框架——剪力墙结构设计中的重点内容。

(1)基本原则

剪力墙布置在结构平面中的一般原则：“均匀、分散、周边、对称”。

因为剪力墙是结构主要的抗侧力单元，所以在每个方向上不应该只设置一道剪力墙，更不能只是为了加大截面惯性矩，而设置很长的一道墙。最佳的办法是，分散剪力墙。如果要做成单片墙，那要保证每方向少于有3片，而且每片墙刚度要尽可能的接近，也就是要均匀分散布置，这样就可以有效的避免剪力墙的数量太少，导致一旦局部遭受破坏就会引起全局破坏。

在设计时，应该注意保证每片剪力墙底部承担的水平剪力，不要超过结构底部总水平剪力的40％，以防止受力过分集中。因为，过分的受力集中往往会导致该片剪力墙对刚心位置影响过大，一旦遭到破坏就会对整体结构极为不利，而且也会不可避免的加大其截面和基础设计的难度。

所以，一般情况下单肢墙或多肢墙的墙肢长度都不超过8m，当然，除了上述原因，还有一点就是要避免墙的端部受力筋，过早的因变形过大而拉断，造成中部的分布筋无法发挥作用。

当设计中不可避免的造成剪力墙过长时，可通过设置弱连梁和在施工时留出结构洞，就是把一片墙划分为联肢墙的墙肢，洞口到施工后期再用块材填补封闭，保证每个墙肢的高度与其长度之比大于2。

纵、横剪力墙可以根据实际需要组成L形、口形和T形等型式。在设计中，必须要把纵、横剪力墙组成I形、L形等非一字形，或者把两个方向的剪力墙做成筒体形状，这样可以更好地发挥剪力墙自身的刚度。

(2)剪力墙的刚度与合理数量

框架——剪力墙结构中，主要由剪力墙的等效抗弯刚度 决定其结构的抗侧刚度，而顶点位移和层间变形都会随剪力墙 的加大而减小。不过，如果发生地震，那地震作用会因为增加刚度而随之增加，比如 增大1倍时，地震力将会增大20％，而侧向位移与 并不成反比关系。所以，剪力墙的数量要适当，过少可能会造成刚度不足，过多则会导致刚度过大，可能会导致更大的地震影响。所以，在一般建筑工程中，应该坚持适宜刚度原则，就是以满足位移限制作为确定剪力墙数量的依据。

一般情况下，在框架——剪力墙结构中，要保证剪力墙的数量，目的是使其在基本振型下的地震倾覆力矩的50％以上由剪力墙承受，与此对应的刚度特征值要控制在2以内。

(3)剪力墙的位置

①剪力墙宜均匀布置在建筑物的周边附近以及楼梯间、电梯间、平面形状变化大及恒载较大的部位。②剪力墙应尽量对称布置，保证整体结构的刚心尽量与房屋质心重合，防止过大的扭转。③平面形状凹凸较大时，应该在凸出部分的端部附近布置剪力墙，以此消解因为平面变化带来的应力集中。

三、结束语

在建筑结构设计中，设计人员必须要对剪力墙结构内力计算与设计的基本前提有清晰的了解，在认清基本原理的基础上，在根据具体的过程要求在实际的工程设计中，做到科学有效，保证建筑结构的安全稳定。

参考文献：

[1]童根树，米旭峰.钢框架内嵌带竖缝钢筋混凝土剪力墙的内力计算模型[J].建筑结构学报，2006年05期

[2]李国强，方明霁，刘宜靖，陆烨.钢结构住宅体系加气混凝土外墙板抗震性能试验研究[J].土木工程学报，2005年10期

[3]戴绍斌，余欢，黄俊.填充墙与钢框架协同工作性能非线性分析[J].地震工程与工程振动，2005年03期

个人简介：谢明亮， 男， 广西桂平人，学士学位，助理工程师，从事结构设计工作。