剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用

2015-12-29潘启钊

建材与装饰 2015年1期

关键词：墙肢连梁侧向

潘启钊

（贵州省凯里市建筑设计院贵州凯里 556000）

剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用

潘启钊

（贵州省凯里市建筑设计院贵州凯里 556000）

当前，剪力墙结构在建筑结构设计中得到了广泛的应用，由于其自身具备的独特优点，能够有效保障建筑物整体的使用质量，受到了建筑行业的高度重视。本文即以具体工程为例，探讨了剪力墙结构设计。

剪力墙结构设计；建筑结构设计；特点

引言

当前，剪力墙结构凭借着其较强的刚韧性与抗震性，被广泛应用于建筑工程中。但是，目前我国剪力墙结构体系尚未完善，其设计工作存在一定的难题。剪力墙结构质量的好坏会直接影响到整体建筑工程项目的施工质量，对于建筑企业而言，必须高度重视剪力墙结构设计问题。

1 剪力墙结构及其特点分析

建筑的墙体按照受力的特点可以分为承重墙和剪力墙两类，承重墙主要承受的是竖向荷载，而剪力墙主要承受的是地震、风荷载等作用引起的水平荷载，也可以称为抗震墙、抗风墙。剪力墙结构具有十分明显的优越性：①侧向刚度较大，在水平方向的荷载作用下不会有较大侧移，承载力及抗侧力较好。②剪力墙结构自重较大，对于吸收地震能量而言优势明显。③相较于梁柱结构而言，剪力墙和楼板组成的受力体系形成的建筑空间更为宽敞，其楼盖是不设梁的平板结构，使得净高增加，建筑空间利用率提升。但是，剪力墙也存在明显的缺点：①因其间距的限制，剪力墙不能形成太大的开间；②剪力墙的墙体比较密，制约了建筑平面和空间的布置；③剪力墙结构体系造价比较高，施工技术也较为繁琐。

2 建筑结构设计中剪力墙结构设计要点

2.1 剪力墙平面布置

在进行剪力墙平面布置时，要尽量防止出现单向有墙的情况，剪力墙要沿着主轴及其他方向进行双向、多向布置；剪力墙的抗侧力刚度不能太大，一般情况下，为了充分发挥剪力墙结构的抗侧力刚度和承载力，可以适当地增加剪力墙的间距，从而保证剪力墙结构的抗侧力刚度合适。设计人员可以根据经验公式T=（0.05-0.06）n（其中n为层数），计算出T值，从而判断剪力墙的数量及侧向刚度。如果计算结果T比搭模计算周期T1大，则可以适当地增加剪力墙的数量；如果计算结果T比搭模计算周期T1小，则说明剪力墙比较多，可以适当地减少剪力墙的数量或者凿开一些合理的孔洞，降低剪力墙的刚度。

2.2 约束边缘构件处理

无约束边缘构件剪力墙和有约束边缘构件剪力墙相比较，其极限承载力降低40%，极限层间位移角就会减少一倍，对地震能量的消耗能力就会减少20%。因此，在设计剪力墙结构时，要根据不同级别的剪力墙轴压比，选用相对应的边缘构件。剪力墙边缘构件可以分为约束边缘构件和构造边缘构件两种情况，对于一级剪力墙和二级剪力墙结构，当剪力墙底部加强部位上面的普通部位和三级、四级非抗震设计建筑底部加强部位轴压比小于相关规定时，要设置构造边缘构件；当一级剪力墙和二级剪力墙结构，当剪力墙底部加强部位和高层建筑、重力荷载作用下墙体的轴压比大于相关规定，要设置约束边缘构件。

2.3 剪力墙墙身钢筋

在进行剪力墙结构设计时，一般情况下，对于四级抗震设计和非抗震设计，剪力墙水平方向和垂直方向的分布筋配筋率不能小于0.20%；对于一级、二级、三级抗震设计，剪力墙水平方向和垂直方向的分布筋配筋率要小于0.25%。

2.4 剪力墙连梁问题

在剪力墙结构中，在水平荷载的作用下，墙肢会发生变形，从而引起连梁产生内力，这时连梁端部的内力会减小连接墙肢产生的变形内力，从而约束墙肢变形，连梁对剪力墙结构十分重要。连梁超筋是剪力墙连梁常见的问题，其本质是剪力剪压比无法满足相关要求，当墙段比较长时，连梁容易超筋的部位大多集中在中间段；当墙段中墙肢截面高度相差比较大，并且分布不均匀时，墙肢处连梁容易出现超筋现象。出现连梁超筋现象后，可以采用以下几种方法进行处理：①可以通过调整剪力墙中连梁弯矩剪力塑形进行处理；②根据实际情况，适当的减少连梁截面高度；③当连梁破坏对垂直方向的荷载影响不大时，可以从地震作用的角度进行思考，放弃使用该连梁，计算独立墙肢在多遇地震情况下的结构内力，墙肢配筋则应按照两次计算得出的大内力进行。

3 工程实例

3.1 工程概况

某工程项目总用地面积为 75159.4m2，建筑面积为204272.01m2。抗震设防烈度为Ⅶ度（0.15g），场地类别为Ⅳ类，设计地震分组为第二组，特征周期为0.75s，地面粗糙度为B类。该工程场地土软弱，处在抗震不利地区，拟对其中的5#楼（31层）进行介绍。该栋建筑地面以上主体结构高度为93.0m，Y向宽度为16.8m，高宽比约为5.5，为纯剪力墙结构，5#楼标准层结构平面图见图1。

结构的第一平动、扭转周期分别为1.942，1.346s，周期比为0.693，满足规范规定其值小于0.9的要求。不考虑偶然偏心时结构位移比小于1.2，考虑偶然偏心时结构位移比小于1.4。地震作用下，结构X，Y向的最大层间位移角分别为1/1059，1/1010。由于建筑场地土软弱，地震效应巨大，剪力墙结构最大层间位移角不宜超过1/1000。

图1 5#楼标准层结构平面图

3.2 建立计算模型

3.2.1 初步设计

虽然场地土软弱，但高层建筑在结构设计的总体布置上都有着某些共性。①高层建筑建模总体原则：增大外围结构的刚度，适当削弱内部结构的刚度。由于场地土软弱导致地震效应大，因此将建筑的外围全部做成剪力墙，普通开窗处做成墙开洞连梁，凸窗处因竖向构件建造受限，做成普通梁外带悬挑板，如此设计是保证结构刚度满足高规要求的前提条件，若没有特殊原因，任何情况下其刚度都不得释放。②将核心筒部分包括其相邻结构构件（如强弱电、水暖、送风井等）全部都做成剪力墙，该部分为结构薄弱部位。

3.2.2 完善和调整

由于结构Y向高宽比较大，剪力墙布置对其侧向刚度有着最为直接的影响，经过反复计算，尽管将结构Y向的所有建筑墙体都布置剪力墙（中心处除外），其侧向刚度仍有欠缺，因此继续将Y向所有开门窗洞口部位都做成墙开洞连梁后才能增加其侧向刚度，达到高规的相关要求。

X向剪力墙布置与Y向有较大的区别：①X向高宽比较小，不需要布置太多的剪力墙；②由于外墙门窗的影响又不能布置较长的剪力墙，有些部位因为要做突窗而不能布置剪力墙。为协调此矛盾，在X向外围有条件的位置处均布置剪力墙，同时以X向侧向刚度满足高规的相关要求为前提来控制中间部分剪力墙的布置长度。

3.2.3 X，Y向刚度调整

采用PKPM进行结构建模分析时，剪力墙增加建筑侧向刚度的多少，主要与建筑的高宽比、剪力墙所处的部位以及填充墙的厚度有关：①高宽比越小，其增加的侧向刚度就越多；②布置在建筑外围较内部增加得多；③200厚填充墙处较100厚的增加得多。因此结构建模时建筑填充墙处做成剪力墙还是做成普通梁上附线荷载，应主要以该方向的位移角是否满足规范的相关要求为前提进行选取。对该建筑进行多次计算分析后，可得到如下规律：①Y向：在建筑有条件处均应做成剪力墙，在门窗洞口处做成剪力墙开洞连梁；②X向：建筑外围200mm厚墙体的处理同①，内部视具体位置做成普通梁上附线荷载，100mm厚处做成普通梁上附线荷载；③核心筒处X，Y向处理同①；④中心处（建筑内部厨房、卫生间、阳台集中处），因要考虑扭转对结构的不利影响同时又要保证结构的侧向刚度，该处100mm厚墙体X，Y向均做成普通梁上附线荷载，200mm厚墙体均做成剪力墙。

3.3 连梁设计

3.3.1 标准层连梁配筋SATWE数据

通常来讲，连梁分两种情况：①因跨高比小于5形成的普通连梁，这种连梁为弱连梁，自身侧向刚度小，纵向配筋相对较大，通常不会出现超筋现象；②墙开洞形成的连梁，若跨高比小于5的话，一般为强连梁，自身侧向刚度大，纵向配筋相对较小，但配箍率较大，通常会出现超筋现象，本文所论述的连梁均为此类型，5#楼标准层连梁配筋SATWE数据见图2。

图2 5#楼标准层连梁配筋SATWE数据

3.3.2 连梁设计要求

连梁具有普通梁的使用功能，其高度不能过高，因此连梁增大楼层侧向刚度的范围将受到限制。5#楼室内门高最小值为2100mm，加上做地暖所使用的110mm厚面层，梁的最大高度（未上反）不得超过790mm（楼层层高为3m）。根据规定，满足剪压比可初步确定连梁的截面高度；其次，满足斜截面抗剪承载力可最终确定连梁的截面高度并确定该连梁的最大箍筋量。

3.3.3 连梁的优化设计

总体上来讲，由于Y向受到的地震作用相对较大，Y向要保证侧向刚度达到高规的要求，其连梁自身的侧向刚度就要较X向大。根据规定，减小连梁的截面高度可减小自身的刚度；换句话说，增大连梁的截面高度可提高自身的刚度，因此建模时连梁截面高度为Y向600mm，X向400mm。

此外，个别特殊的连梁应进行单独处理，如图2中椭圆圈定的4根连梁。Y向的两根连梁位于核心筒附近，是上半部分结构与下半部分结构连接的枢纽，受力很大。左侧连梁由首层入口处部分剪力墙不能落地完全开洞（图1左侧椭圆圈定处）而形成，右侧连梁（图1右侧椭圆圈定处）直接由剪力墙开洞形成，两根连梁通过计算，最终确定其截面高度均为790mm；X向的两根连梁因靠近连接枢纽，受力也很大，若按照建筑开门所留的长度尺寸做成墙开洞连梁，得到的截面高度将超过1000mm。因此，此处的连梁需要通过开大洞口释放部分刚度，以减小自身受到的作用力，通过多次试算，最终确定其截面高度均为790mm，其他部位的特殊连梁可参照上述方法进行处理。