谈高层住宅楼剪力墙结构设计

吴献强

【摘要】作者以工程实例为例，运用SATWE建立计算模型，对高层住宅剪力墙的结构力学性能计算的各项指标进行了分析、比较，得到较为符合实际的动力性能和结构布置，且通过整体分析，探究了影响剪力墙结构设计的重要因素，并对剪力墙的约束边缘构件部分设计中常出现的问题进行了总结。

【关键词】剪力墙结构；高层建筑；结构分析；SATWE 有限元软件

引 言

剪力墙的水平刚度大，在风荷载或者小震作用下较容易防止高层结构的侧向位移导致的剪切破坏，它是主要的抗风抗震结构构件，控制好剪力墙结构的水平位移和地震力这两个因素，便可以合理的布置剪力墙的位置和数量。

SATWE是为高层结构分析与设计而研制的空间组合结构有限元分析软件。本文分析运用它实现了剪力墙与楼板的模型，使高层结构的简化分析模型尽可能的使结构的受力状态更真实。

1 剪力墙设计概念

1）剪力墙高和截面高度尺寸较大但截面厚度较小，几何特征像板，受力形态接近于柱，而与柱的区别主要是其截面高度与厚度的比值，当比值小于或等于3时宜按框架柱进行截面设计，当墙肢截面高度与厚度之比在2～4时可视为异形柱，按双向受压构件设计，当墙肢截面高度与厚度之比在5～8时为短肢剪力墙，当墙肢截面高度与厚度之比大于8时为一般剪力墙。

2）剪力墙结构中，墙除承受沿其平面作用的水平剪力和弯矩外，还承担竖向压力；在轴力、弯矩、剪力的复合状态下工作，其受水平力作用下似底部嵌固于基础上的悬臂深梁。在地震作用或风载下剪力墙除需满足刚度强度要求外，还必须满足非弹性变形反复循环下的延性、能量耗散和控制结构裂而不倒的要求：墙肢必须能防止墙体发生脆性剪切破坏，因此注意尽量将剪力墙设计成延性弯曲型。

3）实际工程中剪力墙分为整体墙和联肢墙，整体墙如一般房屋端的山墙、鱼骨式结构片墙及小开洞墙。整体墙受力如同竖向悬臂，当剪力墙墙肢较长时，在力作用下法向应力呈线性分布，破坏形态似偏心受压柱，配筋应尽量将竖向钢筋布置在墙肢两端；为防止剪切破坏，提高延性应将底部截面的组合设计内力适当提高或加大配筋率；为避免斜压破坏墙肢不能过小也不宜过长，以防止截面应力相差过大。联肢墙是由连梁连接起来的剪力墙，但因一般连梁的刚度比墙肢刚度小得多，墙肢单独作用显著，连梁中部出现反弯点要注意墙肢轴压比限值。壁式框架：当剪力墙开洞过大时形成宽梁、宽柱组成的短墙肢，构件形成两端带有刚域的变截面杆件，在内力作用下许多墙肢将出现反弯点，墙已类似框架的受力特点，因此计算和构造应按近似框架结构考虑。

2 剪力墙实例设计及计算分析

文章依据某住宅小区33 层纯剪力墙结构住宅楼。总建筑面积约27143.4 m2 ，建筑层高3.0 m，室内外高差0.45 m，建筑高度99.45 m。为比较剪力墙布置方式对主体结构性能的影响，拟定两个方案，方案一： 剪力墙上开洞的大小按照建筑图的洞口布置来建立模型，即飘窗处设高连梁（ 部分位置按照施工要求设置构造洞口，从而方便施工，如在两个分户单元山墙上开洞） ； 方案二： 在方案一中墙肢很长剪力墙上开设尺寸较大的结构洞，如把一字形的截面改为L 形或T 形截面，将飘窗处的窗台改为加气混凝土砌块。

计算开始之前，根据规范选取正确的参数设置正确的特殊构件，如振型组合数，最大地震力作用方向，结构基本周期，周期折减系数，连梁刚度折减系数，框架梁刚度放大系数，偶然偏心等的参数。规范用于控制结构整体性的主要指标常用： 刚重比和位移比，以及剪重比与周期比、相邻层间刚度突变等。通过几项主要指标相比，分析出两个方案不同的剪力墙平面布置方式对整体结构的受力性能的影响。

进一步研究了在不同设防烈度区，相同的剪力墙结构在地震作用下反应规律，分别计算在6 度和8 度区结构对地震的反应，随着地震烈度的增大，剪力墙所受的地震作用也随之增大，但高烈度地区的地震影响作用比低烈度地区的地震影响作用增大很多，因此在地震作用下位移和位移角也随之变大。两方案在6 度区时整体主要技术指标均满足规范要求，两种方案的差别不大，都比较理想。但相对而言，方案二比方案一的技术指标更为合理。在8 度这样的高设防烈度地区时，方案一较方案二更容易满足位移比的要求。

综合以上两方案设计分析对比，得出剪力墙的平面布置方法和开洞的方法对结构的整体受力性能和造价有较明显的影响，其主要表现在以下三点：

1） 动力特性方面

结构的整体刚度较小时，方案的第一平动周期明显变大，平动周期与扭转周期之比变化不明显。方案一中第一平动周期与第一扭转周期值的比值均小于0.9。方案二通过在剪力墙上增大原有洞口或开设结构洞，使结构刚度变柔，从而增长了周期，说明结构布置更加合理。

2） 结构受力方面

方案二结构所受的剪力和基底弯矩都小于方案一。因此减小结构刚度，使结构周期变长，从而有效地减少了地震力。

3） 结构变形方面

两方案中结构的位移变形指标均满足规范中相应要求。在6 度设防时，方案二的最大层间位移角比方案一有明显改进。但最大变形均发生在荷载工况为风载作用时，说明6 度区时高层建筑的层间位移主要由风荷载控制，设计时应将风荷载作为最首要影响因素考虑。随着地震烈度的提高，结构所受的地震作用也随之增大。地震作用超过风荷载作用从而成为主要影响因素。因此在8 度区时方案一的层间位移比方案二更容易满足规范的要求，且采用方案一时剪力墙的数量还可能进一步减少，以充分发挥建筑的空间性能的要求。

3 剪力墙结构设计中常见其他問题

剪力墙作为主要的水平抗震构件，它的平面刚度大，平面尺寸较小，在设计中容易满足结构尤其是高层结构的侧向位移限制和使用功能的要求，但随着结构的水平刚度增大，剪力墙承受的地震水平力也随之增大； 经研究机构相关的实验表明，在有横向钢筋约束的剪力墙结构中，可增强剪力墙的延性。通过合理的设置边缘构件的配筋范围、配箍量以及配筋形式可以做到相比不设置边缘构件，整体结构的耗能能力可提高约20%，极限承载力可提高约40%。另外，转角窗的设置会使得剪力墙的抗侧力刚度、自振周期、地震作用以及结构的整体受力性能均有一定的削弱，同时，其外墙内力明显增大； 因此尽量避免设置转角窗，如设置时应采取一定的加强措施，在实际工程设计中采取的措施有：

1） 将转角窗处的楼板厚加为120 mm，且双层双向配筋；

2） 转角窗处从底到顶设置约束边缘构件。开洞截面高度及连梁跨度的大小对结构的整体影响比较明显，不容忽视，在工程实际设计中应根据具体情况，调整连梁的跨高比，使设计尽可能优化，符合规范要求。

4 结论及建议

1） 高层建筑结构应尽量选择合理的结构体系，平面形状上力求规则、对称、避免凸凹不规则，满足抗震规范的要求； 纵向刚度尽量做到连续，避免层间竖向构件不连续，尽可能保证良好的抗震性能。

2） 通过两方案结构受力情况的比较得出，两方案均有比较好的刚度，在风荷载或者地震作用下不产生较大的水平位移，通过合理布置墙体，使结构受力更加安全、合理。

3） 当剪力墙结构刚度较大时，通过减少局部的一般剪力墙或开设结构洞等措施，可有效减小两个方向的刚度，从而减少水平构件所受的地震力，达到安全性和经济性的较好统一。

参考文献：

[1] GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S].

[2] JGJ 3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3] 王法武，唐敢，杨杰. 高层框架及剪力墙结构的侧移优化设计[J]. 工业建筑，2006（ 13） ： 56-58.