剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用

蔡斌凯

【摘 要】在高层建筑的结构布置中，剪力墙的平面布置及墙厚的选取直接关系到整栋建筑的安全性和经济性，是做好高层结构设计最重要的一个环节。在此，笔者通过高层建筑结构设计的工程实践，在此，对本文剪力墙的结构设计进行了阐述。

【关键词】建筑；剪力墙结构设计；约束边缘构件

0.引言

近年来，随着我国经济的持续快速发展，人们对高层建筑的功能要求趋向于多样化、 综合化和全面化。据某市房管部门统计，某市区内住宅建筑一般超过20层，高度一般可达到70～90m。如此高度建筑，由于抗震设计的需要，必须使得建筑物具有足够的侧向刚度。另外相对于框架及框剪结构来说，剪力墙结构室内无柱及梁的棱角露出，更美观，功能也会更好，且增大了使用面积，由此受到了开发商和业主的欢迎，因而大量应用于实际工程之中。本工程由9栋18～23层建筑组成。其中l号楼为23层，总高度72m。

1.剪力墙结构的平面布置及概念设计

新规范《建筑抗震设计规范》GB50011—2001（以下简称抗震规范）及《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3—2002（以下简称高规）颁布实施，汶川地震之后，又出台了《建筑抗震设计规范》GB500l1—200（2008版）。新规范对剪力墙结构的规定更为严格和详细。

新规范将剪力墙边缘构件分为约束边缘构件和构造边缘构件，并对短肢剪力墙做了更严格的限制。所谓短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5～8的剪力墙，一般剪力墙则是指墙肢截面高度与厚度之比大于8的剪力墙从平面图可以看出，本工程基本部采用的是一般剪力墙只有在极个别地方才出现少数短肢剪力墙，从而初步保证了建筑物的抗震性能。

抗震规范中规定，钢筋混凝土剪力墙结构的建筑，弹性层间位移角限值为1/1000。要满足这点要求，就必须保证建筑物有一定的侧向刚度，这就要求抗震墙的面积有一定的保证。在本设计中，为了做到安全和经济，笔者将其楼层层间最大位移与层高之比控制在1/1100～1/1200之问。在平面布置剪力墙时，将底部剪力墙截面总面积与楼面面积之比控制在6～8%，剪力墙的体积与总建筑面积之比大约在16～20%。主要布置原则，建筑物四角及核心筒加强布置，其余剪力墙结合建筑使用功能布置。剪力墙平面上分布力求均匀，使其刚度中心和建筑物质心尽量接近以减小扭转效应，并通过改变墙肢长度和连梁高度调整刚心位置。结合建筑平面，采用L，T，Z，十字形等截面形式，且翼缘长度大于其厚度的3倍。避免采用一字型剪力墙抗震性能较差。墙肢之间的梁净跨不大于6.0m，这样梁高也控制在500以内，不影响室内净高。在底部加强区为满足“简体和一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50%”的要求，大部分墙肢截面高厚比大于8，使之成为一般剪力墙，非加强区则可视情况将墙肢长度适当减小或在墙肢上开小洞口。

特别应注意的是，设转角窗（阳台）会降低结构的侧向刚度和抗扭刚度，且外墙内力显著增大，开洞的角部各构件扭转效应明显，因此应尽量避免。

2.剪力墙墙肢截面厚度

高规第7.2.2条第1—3款规定了剪力墙的最小厚度，其主要目的是保证剪力墙出平面的刚度和稳定性能。

对短肢剪力墙结构，高规规定其抗震等级应比表4.8.2规定的抗震等级提高一级采用，本工程位于Ⅶ度区，故普通剪力墙的抗震等级为三级，短肢剪力墙的抗震等级为二级。因底层层高较高，为5.1m，再考虑基础承台埋深，故底层普通剪力墙厚取为300mm。二，三层仍为底部加强区，综合控制轴压比考虑，墙厚取为250mm。四，六层大部分墙厚取200mm，个别短肢剪力墙及轴压比较大的墙厚仍取250mm。七层楼面以上墙厚统一为200mm。均能满足规范要求。在布置剪力墙时，结合建筑平面，尽量不用一字形剪力墙，而采用L，T，Z，十字形等截面形式，且翼缘长度大于其厚度的3倍，这样，一方面墙体抗震性能更好，另一方面墙厚也可取为剪力墙无肢长度的1/20。对底层少数短肢剪力墙，底部加强区墙厚300mm仍小于1/16墙高度，则按高规附录D验算墙体稳定：墙顶等效竖向均布荷载设计值q应满足：q≤Ect3/10102

3.约束边缘构件的设计

抗震规范及高规中规定，一、二级抗震设计的剪力墙底部加强部位及其上一层的墙肢端部应设计约束边缘构件，在阴影部分箍筋的体积配箍率Pv按下式计算：P=λ=0.2

本工程普通剪力墙为三级抗震，只须设置构造边缘构件。部分短肢剪力墙为二级，在底层加强区必须设置约束边缘构件。对于剪力墙约束边缘构件范围内非阴影部分的配箍，笔者认为不能简单将箍筋或拉筋间距取为阴影部分间距的2倍，即200mm和300mm。一、二级剪力墙底部加强部位构造边缘构件箍筋沿竖向最大间距为100mm和150mm。作为轴压比更大的剪力墙约束边缘构件，其箍筋或拉筋的设置标准不宜低于相同抗震等级构造边缘构件的要求。另外，当剪力墙水平分布筋间距不符合约束边缘构件非阴影部分箍筋或拉筋最大间距时，例如，水平筋间距为200mm，而箍筋或拉筋间距为15mm，若非阴影部分只配置拉筋，则有部分拉筋将无法拉住水平筋，此时，拉筋无法对混凝土形成有效约束，不利于改善混凝土受压性能和增大延性，这种情况应考虑同时配置箍筋和拉筋。还需指出的是，为了充分发挥约束边缘构件的作用，箍筋的长边不宜大于短边的3倍且相邻2个箍筋应至少相互搭接1/3长边的距离。

4.剪力墙水平分布筋在边缘构件中的锚固

边缘构件（包括端柱）并不是剪力墙墙身的支座，其本身是剪力墙的一部分，它与剪力墙墙身之问的连接不是不同构件之间的连接，不能套用比如梁与柱连接的做法剪力墙水平分布筋是用以抵抗水平地震作用产生的剪力是按整片墙肢进行配置的，并未扣除边缘构件的长度；而剪力墙边缘构件中箍筋的作用是约束混凝土，改善混凝土的受压性能，使剪力墙在地震作用下具有较好的延性和耗能能力，规范中并未明确考虑其抵抗水平剪力。两者所起的作用不同，不宜混用。故在设计说明中，笔者明确必须将水平分布筋伸至墙肢端部，并垂直弯折15d（对端柱当锚人长度不小于1a或1ae时可不弯折）。这在标准图集（03G101—1）中表达得很清楚。

5.连梁的配筋

高层结构中，连梁是一个耗能构件，连梁的剪切破坏会使结构的延性降低，对抗震不利，设计时应注意对连梁进行“强剪弱弯”的验算，保证连粱的弯曲破坏先于剪切破坏。因此，不能人为加大连梁的纵筋，否则，可能无法满足“强剪弱弯”的要求。高规中推导出了连梁的纵筋最大配筋率和对应的箍筋面积配箍率，笔者认为，其推导过程有值得商榷的地方，例如Muk的表达式中fyk应为fy，修正后得抗震设计时的Ps和Psv如下：

6.计算结果

剪力墙布置完毕之后，经中科院结构软件PKPM计算，建筑物的弹性层问位移角为1/1105，各剪力墙轴压比在0.3—0.6之间，第一扭转周期与第一周期之比小于0.9最大层间位移与平均层间位移的比值均小于1.3，符合规范各项要求。从而在安全性和经济性两方面都达到要求。