关于高层建筑剪力墙结构设计的探讨

2015-10-31罗丽

建材与装饰 2015年26期

关键词：墙肢连梁剪力墙

罗丽

（桂林市建筑设计研究院广西桂林市　541002）

关于高层建筑剪力墙结构设计的探讨

罗丽

（桂林市建筑设计研究院广西桂林市541002）

剪力墙又称为结构墙和抗风墙。随着高层建筑数量的增多，剪力墙结构设计的重要性越来越突出。笔者结合多年的工作经验，对高层建筑剪力墙的结构设计进行了详细的研究，以供相关从业人员借鉴参考。

剪力墙结构；高层建筑；设计原则；设计要点

1　剪力墙概述

剪力墙指的是主要承受风荷载、地震作用所产生的水平剪力的墙体，可以较好的抵抗水平荷载，其属于建筑物的围护墙和分隔墙，该墙体的设计需要满足建筑平面布置和结构布置两方面的要求。剪力墙的主要特点有：室内墙面平整、抗侧刚度大、侧移小、施工较麻烦、造价较高、结构自重大、吸收地震能量大。

根据是否开洞以及开洞的大小，剪力墙可以分为四类：实体墙、双肢或多肢剪力墙、整体小开口剪力墙、壁式框架，具体内容见表1。

表1　剪力墙的分类

2　高层建筑剪力墙的结构设计原则

（1）在设计上剪力墙不能太密集，整个结构要保持合适的侧向刚度，不可过大或过小，过大会加大墙体本身的重量，增大地震中所受的地震力，更容易发生墙体倒塌。

（2）在竖直方向剪力墙要从下到上做连续的布置，坚决避免刚度突变的发生。高层建筑剪力墙的墙肢截面要简单规则，竖直方向的刚度要均匀，门窗或者洞口要有连接梁和墙肢，设计中避免出现刚度相差悬殊的洞孔，抗震等级一、二、三级的剪力墙不适合叠合的错洞墙。

（3）在进行剪力墙设计的时候，最好采用沿主轴的方向多向、双向布置，将不同方向的剪力墙联结在一起，尽量减少拉通，在进行抗震设计的时候，两个方向的侧向刚度要相近，墙肢的截面要简单规则，剪力墙在分布上数量要适当、均匀。

（4）剪力墙的门窗或者洞口不能错位，要上下对齐，成列布置。为了不影响剪力墙的承重能力，产生变形，尽量避免出现叠合的错洞墙。

（5）如果剪力墙的长度较大，就可以通过开设洞口的方式将整个墙体分为独立的几个小墙体，每一段墙体的长度小于8m。

（6）加强剪力墙平面之外抗弯的承载力与刚度，在墙内设置一些暗柱、扶壁柱、型钢等，用减小梁端的弯矩的措施，加强抗弯能力和承载力。

3　高层建筑剪力墙结构设计要点

3.1剪力墙的结构设计布置技巧

一般剪力墙要沿主轴方向进行设计布置，但是对于L形、巨型、T形等，可采用沿两个轴线方向设计布置的方法。尽量避免出现只有单向有墙的情况，内外剪力墙采取拉通对直的设置，为了满足结构质量中心与刚度中心的重合，尽量不要出现过大的扭转。充分掌握剪力墙的布置间距，增大空间利用率。如果剪力墙布置间距过少，容易导致侧向结构刚度过大，经济性较差。由于剪力墙上会出现洞口，高层建筑剪力墙受力会受到洞口的大小、位置以及数量的影响，应尽量避免三个以上的洞口集中于交叉墙附近，门窗洞口的布置要上下对齐，刚度相当。由于剪力墙中连梁的刚度差，所以连梁上不能承载楼面主梁。

3.2控制结构参数

在工程设计中主要涉及以下几个主要参数：位移比、侧向刚度比、周期比、刚重比、层间位移角。先说说位移比，它是指楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与本楼层平均值的比值，是一种扭转效应。按照规范，它应该是针对刚性楼板假定的，需要考虑偶然偏心影响的地震作用。再说说侧向刚度，它是为了控制结构的竖向规则性。主要对某楼层抗侧刚度与其上一层、相邻三层的关联叙述，还有对于结构楼层层间抗侧力结构的承载力的要求。关于周期比，它的作用主要是为控制结构扭转效应，减少扭转对结构产生的不利影响。其关键就是限制结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期的比。刚重比，这项数据是控制结构的稳定性，避免产生滑移和倾覆。最后说说层间位移角，它是指按弹性方法计算的楼层层间最大位移与层高之比。主要控制结构的侧向刚度，适宜的结构刚度不至于使地震力增大，也是考虑到经济性。

3.3剪力墙中大墙肢处理

剪力墙必须具备延展性结构，对于高宽比大于2的剪力墙，如果被设计成了弯曲破坏的延性剪力墙，就可以避免受到脆性的剪切破坏。在墙长度较长的情况下，可以通过开洞的方式，实现每墙段的高宽比均大于2，提高剪力墙的延展性。另外，由于墙段长度较小时，其受弯产生的裂缝宽度也会较小，这样墙体配筋的支撑作用就可以得到充分的发挥。对于长度大于8m的大墙肢，理论上说，楼层的剪力多是有这些大墙肢来承受的，一旦出现地震，最先容易受到破坏的就是大墙肢。为了减少大墙肢受到破坏，可采用下面的方法：①开施工洞，在施工时墙内留洞，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，施工时不开洞。通过这种方式，加强其它小墙肢的配筋能力。第二种方法主要是针对不易实施开洞的地下室外墙等剪力墙。

3.4结构构件计算

在整体计算完成后，主要是对结构构件的截面优化、内力和配筋计算。对于剪力墙墙身，其中存在竖向及水平向分布钢筋，需要通过计算来确定用量。还要验算正截面抗弯承载力及斜截面抗剪承载力，在设计时要考虑水平筋与竖向筋，竖向分布筋抵抗弯矩，而水平分布筋抵抗剪力。对于边缘构件，它能有效地提高墙体的延性和抗剪能力。边缘构件分为两类，即约束边缘构件和构造边缘构件，这是因为它的结构形式和受力状况比较复杂。对于连梁，它需要和墙体协同工作，增强剪力墙的刚度和强度，正常载荷作用下，连梁有联系墙肢、且增大剪力墙刚度的作用。连梁跨度较小，梁端容易出现裂缝，为此，可以进行刚度折减，但折减后仍然可能出现正截面受弯承载力和斜截面受剪承载力不够的情况，可采取的办法就是减小连梁的高度或增加剪力墙的厚度及提高混凝土的等级。

3.5配筋设计

墙体的配筋率，目前规定在一、二、三级抗震等级的剪力墙中，水平和竖向的分布筋的最小配筋率不可小于0.25%，部分框支剪力墙底部加强部位的配筋率不可小于0.3%，从目前来看，我国的配筋率已经与国外的配筋率基本接轨。设计中如果建筑物较长较高，其框剪结构的配筋应适当增加，尤其是在连梁部位、温度、刚度变化敏感的部位，更应当增加。目前多层剪力墙中多为构造配筋，个人认为竖向最小配筋率应包括边缘构件中的钢筋，尽量将钢筋布置在墙端部边缘区，保证钢筋间距不大于300mm，竖筋过多不利于抗震。

3.6有效的优化连梁设计

在设计连梁的抗震性和非抗震性时，按照高跨比分类可分为两种：①高跨比小于2.5；②高跨比大于2.5。这两种设计对受剪承载力与截面的配筋有着相同的规范要求。在进行连梁设计时，首先要计算内力之前，先将连梁本身的刚度进行拆减。然后再做好内力计算之后，在连梁的弯矩组合与剪力上乘以折减系数。需要注意的是，不管采用那种算法，都需要根据实际情况确定剪力和弯矩设计值，确保这个值要小于调整之后的数值。另外，按照低于预防烈度1度的地震组合值来设计弯矩，可以确保正常情况下的使用，有效的预防裂缝，最终保证高层建筑的结构安全。

3.7注重转换层结构设计

现在建筑物的功能要求多样化，一栋大楼很有可能要求它的上部（中部）和下部使用功能不同，这时需要进行多种转换，还要设置转换构件，以传递内力。由于高位转换时刚度和质量较大的转换层升高，调整转换层本身及其上、下的刚度比使之接近是必要的，这要求转换层刚度、质量适中，可通过水平层力作用来检查层间位移角的均匀性。选择转换层形式时，最好选用重量小刚度小的材料。在设计时，还要进行大量的计算，通过计算我们就会知道，哪一部分才是最薄弱的，然后再通过内力分配特点的具体研究，改善薄弱部位的设计性能，最后进行适当的调整，来改善薄弱部位性能。

3.8剪力墙底部加强部位的设计

由于剪力墙是十分重要的承力结构，单凭主墙体的强度很难满足实际施工需要，特别是那些高大建筑，更需要注意这一方面的设计。目前，在工程上，在剪力墙底部设计加强墙，可有效解决以上问题。但是由于设计加强墙后，剪力墙的结构会更加复杂，有可能影响到建筑物内其他结构的布置，因此，需要进行优化。①对于一般剪力墙结构来说，底部加强部位的高度可取嵌固部位以上墙肢总高度的1/8和底部两层高度二者的较大值，做好底墩的外飘宽度设计；②对于包含转换层或类似结构的剪力墙，应取框支层加上框支层以上2层的高度及墙肢总高度的1/8二者的较大值作为剪力墙底部加部位的高度。另外，如果嵌固部位不是独立的结构，而是使用其它结构来代替，为了在发生地震时避免引起破坏的传递性，就需要在优化设计方案中将加强部位的范围应向下延伸。