建筑剪力墙结构设计分析

喻超

摘要：剪力墙结构被广泛用于现代高层建筑中，尤其是高层剪力墙住宅。剪力墙通常是由结构工程师根据经验来设计的。因此，在结构设计过程中可能会存在设计偏于保守等现象或设计不合理等情况，造成一定的浪费或结构安全性不够等。为此，本文对在高层住宅剪力墙结构设计过程中的一些问题进行探讨。

关键词：剪力墙；结构；设计

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

一、引言

随着我国国民经济的快速发展和城市化进程的加快，城市规模不断增大，人口不断增加，使得城市住房建设用地高度紧张，新建高层建筑是城市发展的必然趋势。剪力墙结构由于其抗侧刚度大、侧移小和抗震性能好等特点，剪力墙结构被广泛用于现代高层建筑中，尤其是高层剪力墙住宅。但对剪力墙位置的具体布置、截面形状和尺寸等是否合理，相关的规范没有明确的规定，通常是由结构工程师根据经验来设计的。因此，在结构设计过程中可能会存在设计偏于保守等现象或设计不合理等情况，造成一定的浪费或结构安全性不够等。为此，本文对在高层住宅剪力墙结构设计过程中的一些问题进行探讨。

二、剪力墙结构的形式

1.无洞单肢剪力墙

剪力墙的立面上没有任何洞口。这种墙实际上是一竖向悬臂构件，在水平荷载作用下，弯曲变形符合对平截面的假定，墙肢截面的正应力为直线分布，其内力和变形的计算可以应用材料力学方法进行。

2.整体墙和小开口整体墙

墙面上只有很小的洞口，可以忽略其影响。这种类型的剪力墙实际上仍然是一个悬臂构件，其横截面的变形符合对平面的假定，正应力为直线分，称为整体墙。当开洞稍大一些，墙肢应力中出现由局部弯曲引起的应力，但其值不超过整体弯曲应力的15％时，可以认为其墙肢截面的变形仍符合对平面的假定，可以按材料力学方法来计算应力，然后加以修正。这种墙叫小开口整体墙。

3.联肢墙

在实际工程中，有些剪力墙是由许多受弯构件连接在一起的。例如，在住宅建筑和旅馆建筑中，墙体上由大量竖向排列的洞口，在外墙上，这些洞口一般是窗口，而在建筑的内部，这些洞口大部分是门或走道。在设计中，这些洞口将一片整墙分开为由连梁或楼板连接的墙肢，就形成了所谓的联肢墙。

一般地，开有一排或数排较大洞口的剪力墙，其截面的整体性已经被破坏，水平荷载作用下正应力的分布较直线规律有较大的差别。但墙肢的线刚度比同列两孔间所形成的连梁的线刚度大得多，每根连梁的中部都有反弯点，而墙肢仅在少数楼层出现反弯点。即在水平荷载作用下，所有的连梁都呈现双曲率弯曲形态，而大部分的墙肢都呈现单曲率弯曲形态，墙肢变形仍以弯曲变形为主。

4.短肢剪力墙

钢筋混凝土短肢剪力墙是近年来在我国兴起的一种新型的抗侧力构件，它既保留了异形柱不凸出墙面的优点，又克服了异形柱抗震性能不理想的缺点以及轴压比控制等比普通的剪力墙采取了更严格的限制。对短肢剪力墙的计算模型、适用高度、构造措施等没有做明确的说明。因此，对短肢剪力墙结构的力学性能、破坏形态、抗震性能以及设计方法等进行系统的研究，形成一套完整的设计方法，是建筑工程设计中急需解决的课题。

5.框支剪力墙

当底层需要大空间，采用框架结构支撑上部剪力墙时，称为框支剪力墙，也可以称为柱支剪力墙。框架柱可以用常截面和变截面两种形式，也可以采用斜柱和V形柱。底部框架可以是单层的和多层的，应视建筑使用上的需要和结构的要求而定。

6.开有不规则洞口的剪力墙

开设不规则的较大洞口仅是由于建筑使用上的要求，在结构上往往会产生一些不利的影响，故宜尽量避免采用。当无法避免时，也宜采用一些结构措施，以消除或降低不利因素的影响。例如，开设一些不需要开设的洞口，使剪力墙的开洞变为规则或接近规则，如有需要，则用刚度小的材料填塞这些本来不需要开设的洞口；在剪力墙中设置连续性较强的暗柱暗梁，以降低不规则开洞带来的较大应力集中的不利影响等。

三、剪力墙结构设计要点

1.A级高度乙类、丙类高层建筑的剪力墙结构最大适用高度

全部落地剪力墙——非抗震、6度、7度、8度、9度抗震时，分别为150、140、120、100、60m，部分框支剪力墙——非抗震、6度、7度、8度抗震时，分别为130、120、100、80m，9度抗震时不宜采用。A级高度甲类高层建筑的剪力墙结构最大适用高度：6度、7度、8度抗震时，将本地区设防烈度提高一级后，按乙类、丙类建筑采用9度抗震时，应专门研究（说明：房屋高度指室外地面至主要屋面高度，不包括局部突出屋面的电梯机房、水箱、构架等高度）。

2.B级高度乙类、丙类高层建筑的剪力墙结构最大适用高度

全部落地剪力墙——非抗震、6度、7度、8度抗震时，分别为180、170、150、130m，部分框支剪力墙——非抗震、6度、7度、8度抗震时，分别为150、140、120、100m，B级高度甲类高层建筑的剪力墙结构最大适用高度：6度、7度抗震时，按本地区设防烈度提高一级后，按乙类、丙类建筑采用8度抗震时，应专门研究。

3.结构的最大高宽比

A级高度——非抗震、6度、7度、8度、9度抗震时，分别为6、6、6、5、4，B级高度——非抗震、6度、7度、8度抗震时，分别为8、7、7、6。

4.质量与刚度分布明显不对称、不均匀的结构，应计算双向水平地震作用下的扭转影响；其他情况，应计算单向水平地震作用的扭转影响。

5.考虑非承重墙的刚度影响，结构自振周期折减系数取值0.9～1.0。

6.水平位移验算：多遇地震作用下的最大层间位移角≤罕遇地震作用下的薄弱层层间弹塑性位移角≤1/120。

7.舒适度要求：高度超过150m的高层建筑，按10年一遇的风荷载取值计算的顺风向与横风向结构顶点的最大加速度限值为：住宅、公寓0.15m/s，办公、旅馆0.25m/s。

四、剪力墙结构的布置

1、高度和高宽比的控制

剪力墙结构大多应用于高层建筑结构中，而在高层建筑中，侧向位移的控制是结构设计的主要矛盾。此外，随着高度的增加，水平荷载作用下的倾覆力矩迅速增加。高层建筑设计中，一般通过控制结构的高宽比(即建筑的高度H与宽度B之比)来控制结构不产生过大的侧向位移和倾覆力矩。

2、合理的结构平面布置

剪力墙结构的平面布置，应当使一个独立的结构单元内的平面形状简单规则，刚度和承载力分布均匀。不应采用严重不规则的平面。高层建筑宜选用风作用效应较小的平面形状，如圆形、正多边形等。有抗震设防要求的高层建筑，一个结构单元的长度(相对其宽度)不宜过长，否则在地震作用时，结构的两端可能会出现反相位的振动，这将会导致结构过早地被破坏。

3、竖向布置

在地震作用下，结构抗侧移刚度沿竖向的突变、抗侧力构件的上下部不连续或抗剪承载能力的变化会导致某些楼层的变形过分集中或形成抗侧力的薄弱层，从而出现严重的震害甚至倒塌；结构外形的内收，会导致结构的高振型反应所占的比例加大，内收的部位越高、内收的尺寸越大，高振型的反应就越明显；结构的外挑，会使地震的扭转效应和竖向地震作用效应加大。因此剪力墙结构的竖向布置应上下贯通，力求形体规则、刚度和强度沿高度均匀分布，避免过大的外挑和内收，避免错层和局部夹层，同一层的楼面应当尽量设在同一标高处。对于不能满足上述要求的结构，应对其上下刚度的变化、内收或外挑的尺寸做出限制。

剪力墙布置时还要注意单片剪力墙的长度不宜过大。一方面由于剪力墙的长度大，会导致结构刚度迅速增大，使结构自振周期过短，地震作用力加大；另一方面，低而宽的剪力墙墙肢易发生脆性的剪切破坏，使结构的延性降低，对结构的抗震不利。为了防止剪力墙在竖向荷载作用下发生整体失稳破坏，楼(屋)盖对它的支撑约束作用是必不可少的；为了防止剪力墙在楼层之间发生平面外失稳破坏和保证墙体混凝土的浇筑质量，剪力墙应当有适当的厚度。

五、结束语

由于剪力墙结构室内无露梁、露柱的现象，用于房屋结构中具有刚度大、简洁等特点，因此，在现代建筑中得以广泛应用。但是，由于建筑在施工中的空间有限，限制了剪力墙的最大间距，再加上剪力墙的受力情况较复杂，因此对设计人员提出了更高的要求，只有充分认识到这些问题，才能有效保障建筑质量。