浅析高层剪力墙结构设计

展欣 毛建影

摘要：文章简单介绍了高层建筑剪力墙结构设计计算原则，结合工程实践，提出了一些剪力墙结构的设计要点。

关键词：高层；剪力墙；结构设计

Abstract: the article briefly introduces the shear wall structure of the high-rise building design, combined with the engineering practice, this paper puts forward some key points of the design of the shear wall structure.

Keywords: top; Shear wall; Structure design

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

引言

随着人们对住宅，特别是高层住宅平面与空间的要求越来越高，普通框架结构和框架—剪力墙的露柱构件对建筑空问的严格限定与分隔已不能满足人们对住宅空间使用和立面美观的要求。纯剪力墙结构既可以保证结构安全可靠性，又可以使室内空间合理墙面平整，所以高层建筑结构中便越来越多地采用剪力墙结构，剪力墙的受力、变形特征，类似于框剪结构，但比框剪结构的刚度分配、内力分配更合理，结构的变形协调导致的竖向位移差别，也比框剪结构小，传基础荷载更均匀、合理。这样的结构形式能使建筑取得较好的经济效果和建筑功能效果。

1高层建筑剪力墙结构设计计算原则

剪力墙结构设计时，应根据规范要求综合考察结构是否合理，就结构设计中的几个重要技术指标调整原则简述如下：

1)楼层最小剪力系数(剪重比)的调整原则。在满足短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩不超过加％的前提下尽可能少布置剪力墙，以大开间剪力墙布置方案为目标，使结构具有适宜的侧向刚度，使楼层最小剪力系数接近规范限值(不小于限值)。这样能够减轻结构自重，有效减小地震作用的输入，同时降低工程造价。

2)剪力墙连梁超限的调整原则。剪力墙连梁的跨高比不宜小于2．5，跨高比小于2．5的连梁很容易出现剪力和弯矩超过规范限值。《高规》规定跨高比不小于5的连梁宜按框架梁进行设计。即跨高比不小于5的连梁刚度不应折减。而跨高比在5—6之间时，若连梁刚度不折减则也容易出现剪力或弯矩超限。本人认为该条文在实际工程设计中若能充分利用，则对节省工程造价也有非常明显的影响，即将跨高比不大于5的连梁(刚度需折减)和减小剪力墙墙肢长度使连梁跨高比变为大于6的框架梁(刚度不折减)，而后者的钢筋及混凝土用量均小于前者，能节省工程投资。‘

3)楼层层间最大位移与层高之比(位移)的调整原则。指规范规定多遇地震作用标准值产生的楼层最大的弹性层间位移在计算时，除以弯曲变形为主的高层建筑外，可不扣除结构整体弯曲变形，应计入扭转变形。对于一般的高层建筑，重点是楼层间的剪切变形及扭转变形。剪切变形的控制是以竖向构件的多少来决定的，但竖向构件足够多(剪重比偏大)而布置不合理，则会造成扭转变形过大，同样不能满足层问位移的要求。因此，对于高层建筑应尽可能使扭转变形最小，而不能仅根据层间位移不够不加分析地增加竖向构件的刚度。

2剪力墙结构的设计要点

高层建筑最主要的受力构件包括剪力墙、框架柱、梁和楼板。而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。当高层建筑的受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时，即形成所谓的剪力墙体系。在这个体系中单片剪力墙承受了全部的竖向荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构，作为一种良好的结构体系，其位移曲线呈弯曲型，它的强度、刚度都较高且具备一定延展性，传力直接均匀，有较好的整体性和较强的抗倒塌能力。其在高层建筑中的应用范围大于单纯框架或者框架—剪力墙混合体系。剪力墙建筑结构的设计应从以下几个方面考虑：

2.1剪力墙合理定位

剪力墙最好沿主轴方向或其他方向进行双向布置；对于抗震设计的剪力墙结构应特别避免仅单向有墙的结构布置形式。1)对一般的矩形、L形、T形等平面则沿着两条轴线的方向进行布置。2)对于部分j角形平面、Y形平面则可以沿其三个轴线方向布置。3)对正多边形，圆形及弧形平面可沿径向及环向布置。总之剪力墙的平面布置应本着尽可能均匀、对称的原则，尽量使墙面结构的刚度中心和质量中心完全重合，从而减少扭矩。而内外剪力墙应尽量拉通、对直。剪力墙肢截面宜简单、规则。剪力墙的抗侧力刚度不宜过大。为充分发挥剪力墙的抗侧力刚度和承载能力，增大剪力墙可利用空间，剪力墙的间距不宜太密，使结构具有适宜的侧向刚度。判断结构侧向刚度与剪力墙数量的适应程度，可以选用经验公式T=(0．05—0．06)n，其中n为结构层数。公式计算出来的T1值与搭模计算的周期T2相比较．TI>T2则表示剪力墙偏多，可适当减少剪力墙数或开些适合的大洞来减小墙的刚度，反之则需要增加剪力墙数量。

2.2剪力墙厚度确定

《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文献f“：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200mm，其他部位不应小于层高或剪力墙的l，20，且不应小于160ram；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的1／25，且不应小于180ram。”对于笔者前次设计的康定住宅楼，位于9度区，属一级抗震剪力墙，故1、2层底部加强部位剪力墙厚度采用250mm，3～12层剪力墙厚度采用200mm。

2.3剪力墙中大墙肢处理

剪力墙的结构必须具备延展性，对于呈细高状的剪力墙(高宽比大于2)很容易被设计成弯曲破坏的延性剪力墙，这样一来可以避免受到脆性的剪切破坏。在墙长度较长的情况下，为满足每墙段的高宽比均大于2，可以通过开洞的方式分割长墙为小而均匀的独立墙段。除此以外，在墙段长度较小时其受弯产生的裂缝宽度较小，可以充分发挥墙体配筋的支撑作用。而对于剪力墙结构中，存在较少的长度大于8m的大墙肢，在理论计算中楼层的剪力大部分由这些大墙肢来承受。在发生地震特别是超烈度等强烈震动时，最容易受到破坏的便是这些大墙肢。小墙肢因没有足够的配筋，使整个墙面结构会受到全面破坏结构。为避免这种不利现象的发生，对于超过8m的墙肢长度，可以采取以下两种处理方法：①开施工洞：歼施工洞即在施工时墙上留洞，完工时砌填填充墙，把长墙肢分成短墙肢。②开计算洞：是指在进行结构计算时设有洞，开始施工时仍为混凝土墙。但通过这样的计算方式，可以加强其它小墙肢的配筋能力。这种方式主要适用于地下室外墙等不易实施开洞的项目。

2.4约束边缘构件箍筋的设置

约束边缘构件分为“阴影部分”和“非阴影部分”，对于“阴影部分”规范中对竖向钢筋和箍筋或拉筋的配置都有较明确的要求，设计中易于理解和执行。但对于“非阴影部分”仅规定其箍筋配箍特征值为“阴影部分”配箍特征值的一半，但箍筋或托筋沿竖向的间距及竖向钢筋应如何配置并未做出具体规定，因此，目前在1=程设计中做法比较混乱。而竖向钢筋可在箍筋交叉点处按剪力墙竖向分布筋直径设置。同时还应注意，为了充分发挥约束边缘构件的作用，在剪力墙边缘构件范围内箍筋的长短边之比不宜大于3，相邻两个箍筋之间宜相互搭接l，3箍筋长边的长度。

2.5剪力墙墙身钢筋的分布及构造要求

《高规》中规定一般剪力墙竖向和水平分布筋的配筋率，在一、二、三级抗震下设计时不应低于0．25％，而对于四级抗震设汁和非抗震设计时则不应低于O．20070。按照这一原则，笔者设计的位于9度区的一级抗震剪力墙，墙身分布钢筋配筋率必须大于0．25％。同时应注意这个配筋率是指“水平配筋率+垂直配筋率”的总称，具体在《混凝土结构设计规范》中也有具体条款规定。

2.6剪力墙连梁超筋的处理

剪力墙结构设计中连梁超筋是一种常见现象。连梁的超筋，实质是剪力不满足剪压比要求。连梁易超筋的部位，一般剪力墙结构中，在总高度的1／3左右的楼层；平面中当墙段较长时，多在其中部的连梁；某墙段中墙肢截面高度大小悬殊不均匀时，在墙肢处连梁易超筋。剪力墙连梁对剪切变形十分敏感，当剪力墙连梁不满足连梁的尺寸要求时，《高规》7．2．25条给出了如下处理方法：

(1)减小连梁的截面高度。

(2)抗震设计的剪力墙中连梁弯矩及剪力可进行塑性调幅。

(3)当连梁破坏对承受竖向荷载无明显影响时，

可考虑在大震作用下该连梁不参与工作，按独立墙肢进行第二次多遇地震作用下结构内力分析，墙肢应按两次计算所得的较大内力进行配筋计算。当第l、2种措施不能解决问题时，可采用第3种措施来处理，即假定连梁在大震下破坏，不再约束墙肢。另外，可在易超筋的部位，连梁按铰接处理进行整体计算，但应注意结构层间位移比尚需满足规范要求。

3结束语

在高层建筑不断发展的需求下，如何在设计疗面满足高层建筑的样式创新、功能需求以及结构安全性，追求新的结构形式和更加合理的模型将是未来的目标和方向。工程设计人员也必须充分理解新规范编制原理，将新高规和新抗震规范和工程实际情况紧密结合，不断提高工程设计水平。

参考文献

【l】GB500l0—2002混凝土结构设计规范．北京：中国建筑工业出版社

【2】GB5001l一200l建筑抗震设计规范．北京：中国建筑工业出版社

【3】JGJ3—2002J186---2002高层建筑混凝土结构技术规程．北京：中国建筑工业出版社

【4】李国胜．多高层钢筋混凝结构设计中疑难问题的处理及算例【M】．北京：中国建筑工业出版社，2004．

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。