剪力墙结构在高层建筑结构设计中的布置原则

汪斌斌

摘 要 随着我国城镇化的飞速发展，人们对建筑生活、起居的空间环境要求越来越高，由于钢筋混凝土结构有较好的经济性、抗震性、耐久性和耐火性；剪力墙结构中室内无外凸出的柱角，便于家具布置和分割，有利于分户、防火、防盗、隔声，在当今绝大多数高层住宅、高层宾馆和一般不需要大空间的建筑中仍然运用剪力墙结构。剪力墙结构在当今的建筑结构中仍占有极其重要的位置，本文就主要通过对剪力墙结构中剪力墙布置原则进行分析，进一步阐述了在建筑结构中剪力墙的应用。

关键词 剪力墙结构；短肢剪力墙

1 引言

相对其他结构体系（包括钢结构），剪力墙结构有以下优点：钢筋混凝土剪力墙结构成本低，整体性好，可模型性强，承载力高，刚度大，侧移小；因风荷载或水平地震作用引起的非结构构件损坏少；结构次生内力、P-△效应不显著；有多道抗震防线。

2 剪力墙结构的概念

由剪力墙组成的承受竖向和水平作用的结构称为剪力墙结构。结构有良好的空间工作性能，剪力墙结构中全部的竖向荷载和水平作用由剪力墙承担，剪力墙结构结构具有多道防线，在遭遇地震作用时，连梁是第一道防线，消耗了一部分能量，连梁破坏后，墙肢作为第二道防线，继续抵抗地震作用和其他水平作用，此时由于部分连梁退出工作，结构周期发生变化，能减轻建筑物的破坏程度[1]。

3 剪力墙结构布置原则

3.1 剪力墙平面布置

（1）各主轴方向布置。当建筑平面采用三角形、Y形、正多边形、圆形或弧形时，应沿其主轴径向、环向双向布置，尽可能在某个位置同时布置，使之互为翼缘，并且保证两个方向的侧移刚度不宜相差过大[2]。尽量地不让 “一”字剪力墙出现，尤其“一”字短肢剪力墙出现，尽可能对其设翼缘。抗震设计时，不应采用仅单向有剪力墙的结构布置。剪力墙结构宜尽量设计布置成带翼缘的盒子或利用楼、电梯间构成小筒体，以提高剪力墙的侧移刚度，改善剪力墙应力集中，提高剪力墙延性和抗震能力，充分发挥剪力墙结构的空间效应。内外剪力墙要尽可能对直或拉通，减少部分不均衡的作用力产生。

（2）剪力墙结构应具有适宜的侧移刚度。为了充分发挥剪力墙的侧移刚度和承载力，增大剪力墙结构的合理使用空间，剪力墙的间距不宜太密，要分散，整个结构的抗侧刚度不宜过大；否则，刚度大，自重大，结构周期短，抗震设计时地震作用大，不经济。一般基本周期0.60n～0.80n（n为结构总层数）较为适宜。

（3）剪力墙平面布置尽可能均匀、对称、周边化，尽可能使结构的刚心与质心重合，以减少扭转效应，增大结构抗扭刚度。 “均匀”一是要求剪力墙的平面位置，间距要均匀，使得每片剪力墙有相差不大的负荷面积；二是要求剪力墙的墙肢截面尺寸要均匀，不导致因剪力墙的抗侧刚度变化太大而承担的水平剪力相差悬殊、出现应力过大现象，使同一主轴方向的各片剪力墙能一起均匀的协同工作。因此剪力墙不宜过长，较长的剪力墙宜设置跨高比较大的连梁将其划分成长度较均匀的若干墙段，各墙段的高度与墙段长度之比不宜小于3，墙段长度不宜大于8米。

（4）剪力墙墙肢截面宜简单、规则、均匀，尽可能采用“T”，“L”，“工”截面墙体 。首先由于混凝土本构关系，复杂截面不能直接采用等效矩形方法直接计算截面的承载力，另外当前软件一般不支持复杂截面剪力墙整截面的求取。所以墙肢截面尽量避免复杂截面出现。

（5）楼面主梁不宜支承在剪力墙或核心筒的连梁或其他楼面梁上。首先，连梁或其他楼面梁的面外刚度小，达不到对主梁端的约束要求，没有足够的抗扭刚度去抵抗平面外的弯矩；另外，由于连梁本身剪切应变较大，再加上主梁传来的内力更容易使连梁产生破坏，设计中应尽可能避免。当无法避免时，楼面次梁或主梁支承在连梁上时，梁端可按铰接处理，此时尽可能减小主梁的截面高度，以减小主梁对连梁的不利影响。

（6）剪力墙的平面内刚度、承载力大，而平面外刚度和承载力都很小，当剪力墙或核心筒墙肢与其平面外相交的楼面梁刚接时，可沿楼面梁轴线方向设置与梁相连的剪力墙、扶壁柱或墙内设置暗柱。另外还可以采取减小楼面梁的截面高度或梁端按铰处理。

3.2 剪力墙结构竖向布置

（1）剪力墙的抗侧刚度大，如果在某层或几层切断剪力墙，易造成结构楼层侧向刚度突变，应力集中，形成结构的软弱层或薄弱层。因此，剪力墙沿竖向宜均匀、连续，避免刚度突变，结构承载力和刚度宜自下而上逐渐减小。

（2）为了简化计算模型，避免应力集中，方便施工，改善结构受力情况，剪力墙洞口宜上下对齐、成列布置，形成明确的墙肢和连梁；避免造成墙肢宽度相差悬殊的设置；抗震设计时，一、二、三级剪力墙的底部加强部位不宜采用上下洞口不对齐的错洞墙，全高均不宜采用洞口局部重叠的叠合错洞墙。当无法避免叠合错洞布置时，应按有限元方法计算分析，并在洞口周边采取加强措施，或在洞口不规则部位采用其他轻质材料填充，将叠合洞口转化为规则洞口，解决应力复杂问题。

（3）剪力墙墙厚和混凝土强度等级沿竖向应逐渐减小，要避免两者在同一楼层改变，墙肢长度不宜突变。当相邻构件尺寸变化较大时，应设过度截面。当结构底部加强区与非加强区之间剪力墙截面、混凝土强度、配筋相差较大时，宜设1～2个过渡层。

3.3 剪力墙结构布置的合理性

剪力墙的平面、竖向布置除了概念设计外，在设计中主要由以下几个控制参数来判断合理性：位移比、周期比、轴压比、剪重比、刚度比、层间受剪承载力比、刚重比、倾覆力距比、楼层最大位移与层高比。一般布置合理的结构均能满足规范对以上参数的限值。

4 短肢剪力墙的设计

短肢剪力墙是指截面厚度不大于300mm时，各肢截面高度与厚度之比的最大值大于4但不大于8的剪力墙；具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构指：在规定的水平地震作用下，短肢剪力墙承担的底部倾覆力矩不小于结构底部总地震倾覆力矩的30%的剪力墙结构。在一般的多层、小高层、中高层建筑中由于房屋高度低，水平作用和竖向荷载小，剪力墙的厚度较小，剪力墙开大洞，常会形成短肢剪力墙[3]。由于短肢剪力墙沿建筑高度可能有较多楼层出现反弯点，受力特点接近异形柱，又承担较大的轴力和剪力，其抗震性能差。在剪力墙结构平面布置时应注意，配合其他专业尽量避免短肢剪力墙的出现。在抗震设防烈度为7～8的具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构中，房屋适用高度要满足比A级高度的普通剪力墙结构低约20%，且在规定的水平地震作用下，短肢剪力墙承担的底部倾覆力矩不大于结构底部总地震倾覆力矩的50%的要求。在B级高度高层建筑和抗震设防烈度为9度的A级高层建筑中不宜布置短肢剪力墙，不应采用具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构。同时短肢剪力墙要满足比普通剪力墙更为严格的轴压比限制要求。

5 结束语

高层建筑的复杂性给结构工程师提出新的挑战，要求结构分析，设计技术不断地向前发展，同时要求结构工程师提前进入方案设计阶段，从建筑的平面、立面着手，努力配合寻求出建筑结构比较合理的构成，从而推动建筑科学不断向前发展。

参考文獻

[1]徐建.建筑结构设计常见及疑难问题解析（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2014：768.

[2]中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范GB50011-2010[M].北京：中国建筑工业出版社，2010：366.

[3]中华人民共和国行业标准.高层建筑钢筋混凝土结构技术规程JGJ3-2010[J].中国建筑工业出版社，2010，（3）：29-30.