剪力墙结构设计

毛瑞智

剪力墙结构比较适合用于高层住宅结构。当今重点城市的房价较高，城市中很多家庭为了一套住宅而拼上多年的血汗钱。开发商进行商业开发，追求的是利润。作为结构设计师我们不但要确保结构的安全又要严格控制造价。这其中有很多问题要探讨，比如说剪力墙如何布置，结构布置时要注意处理好哪些问题，对于计算结果如何判断，如何配筋既满足规范要求又能保证安全。

现在开发的高层住宅用的较多的层数是9层，11层，18层，26层，33层，这是根据建筑防火安全的需要和住宅小区的定位确定的。建筑高度变化范围很大。但每一个建筑都要有必要的刚度，随着剪力墙住宅高度的增加，布置的剪力墙的数量和长度要增多。根据设计计算的经验，基本上9层和11层的剪力墙结构住宅，一般隔一个开间布置一个剪力墙构件，18层左右的剪力墙结构住宅，一般应部分区域隔一个开间布置一个剪力墙构件，26层和33层左右的住宅剪力墙结构，一般每个开间都要布置剪力墙构件。这样设计的原因是：各等级的剪力墙的轴压比有限值，结构层数越多，竖向荷载就越大。不论结构抗震设防烈度是多少，都应该满足轴压比的要求。剪力墙构件的轴压比是影响剪力墙在水平地震作用荷载作用下延性（塑性变形能力）的重要因素，清华大学及国内外研究单位的试验表明：相同条件的剪力墙，轴压比越小，延性越大，轴压比越大，延性越小。通过在结构底部加强区设置约束边缘构件，可以提高剪力墙结构底部高轴压比剪力墙的延性性能，在超过设防烈度的强震作用下，剪力墙底部墙端会因混凝土压溃，产生较大的变形，而丧失承受重力荷载的能力导致结构倒塌。因此，必须按照规范要求，控制剪力墙构件的轴压比。现行高规对四级剪力墙构件的轴压比限值没有规定，但是，谁都不会保证按四级设计的剪力墙构件不会遭遇强震，所以，对于对四级剪力墙构件的轴压比也要严格要求。

具体设计时可按照上段中说的剪力墙数量，初步计算时长度满足8倍墙厚的要求，大概布置一下剪力墙，根据剪力墙构件底部的轴压比调整剪力墙构件的长度。调整剪力墙长度时要注意看一下结构的位移和周期，还要看剪力墙的翼缘布置情况，一般情况下，承受荷载面积大的剪力墙，剪力墙构件的长度要做大，长度大的墙承受地震水平作用也大，这种较长剪力墙两端最好带有翼缘，设置翼缘的剪力墙构件延性大，有利于强震下结构整体的安全。剪力墙住宅结构中布置的剪力墙构件较多时，结构整体的质量和刚度都会增大，结构所受的地震作用就会增大，会增加结构的造价。所以调整剪力墙的长度时要根据轴压比逐步加长剪力墙构件的长度。当各个剪力墙构件的轴压比都满足要求了。再根据位移和周期的情况调整建筑周边剪力墙构件的布置。根据高规7.2.10条的公式，剪力墙截面轴向压力设计值对于剪力墙的抗剪是有利的。质量分布大的地方，地震作用也大，需要布置剪力墙较长。所以，先调整轴压比的思路符合剪力墙构件承载力的规律。可以保证剪力墙的合理布置。

高层建筑层数多，高度大，为保证高层建筑结构具有必要的刚度，达到抗震规范“小震不坏”的要求，应对其楼层层间位移加以控制。在风荷载和小震作用下限制高层建筑结构层间位移的主要目的有两点：①保证主体结构基本处于弹性受力状态，对钢筋混凝土结构来讲，就是要避免剪力墙和柱出现裂缝；同时将混凝土梁等楼面构件的裂缝数量、宽度和高度限制在规范允许范围之内；②保证填充墙、隔墙和幕墙等非结构构件完好，避免产生明显损伤。通过调整所有的剪力墙的轴压比满足规范要求，使得结构的刚度中心和质量中心基本重合，这时候再调整建筑周边的剪力墙，增大结构的扭转刚度，就比较容易使得结构层间位移角以及楼层最大位移和平均位移的比值满足规范要求。在调整的过程中要注意以下几点：剪力墙的侧向刚度由墙肢和连梁尺寸决定，对于住宅来说，结构做凸窗的部位，连梁上翻，可以增大连梁的截面，从而增大剪力墙的侧向刚度。根据高层混凝土规范的规定，高层建筑结构是按弹性阶段进行设计的，地震按小震考虑，结构构件的刚度采用弹性阶段的刚度；内力和位移分析不考虑弹塑性变形，计算位移和周期时连梁刚度不能折减。剪力墙的侧向刚度和墙长的三次方成正比，所以剪力墙的长度对于增强剪力墙的抗侧刚度有很大影响，但剪力墙又不宜过长，较长的剪力墙宜设置跨高比较大于2.5的连梁将其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，每个墙段长度不宜大于8m。抗震设计的双肢剪力墙，剪力墙开洞宜设在中部，避免墙肢出现小偏心受拉。

以上是剪力墙设计的基本过程，遵循了使结构由弱变强，逐渐增大结构的刚度的设计思路，这样做出来的剪力墙结构刚度富余度不大，含钢量小，可以取得较好的经济效益。与这个思路相悖的现象是：剪力墙布置的很多，刚度中心和荷载中心不重合，轴压比大小不均匀。结构既不安全也不经济。当然要想做好剪力墙结构还有几个问题要处理好。

短肢剪力墙的构造配筋量大，受力性能不好，调整模型时，应尽量不用短肢剪力墙，如果用了短肢剪力墙，也要尽量减少其数量，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倾覆地震力矩的30%。

剪力墙结构伸缩缝的设置问题，总的来说是，9层和11层的小高层可以适当放宽伸缩缝的间距，18层及以上的剪力墙结构应从严控制。这是因为小高层的剪力墙数量少，剪力墙对楼板的约束作用小，而其他住宅剪力墙结构的剪力墙数量较多，应按照规范的要求，该设置伸缩缝的要设置。以免楼板因为温差（早期水化热以或使用期季节温差）和体积变化（施工期或使用早期的混凝土收缩）等间接作用效应积累的影响，引起较大的约束应力和开裂。另一方面，设置伸缩缝之后，结构单元变短，结构就不需要设置很多剪力墙来调整结构的楼层最大位移和楼层平均位移的比值。建筑越高，地震水平作用就越大，所以这样做对于较高的剪力墙结构尤其有利。

在做剪力墙模型时，把结构的轴压比，位移和周期调整好了后，当水平地震作用较大时，会有很多剪力墙连梁的截面不足，这时候可以对连梁刚度进行折减。连梁刚度调幅后的弯矩、剪力设计值不应低于正常使用状况下的内力值，也不应低于比设防烈度低一度的地震作用组合所得的弯矩和剪力设计值。这样就能避免在正常使用条件下或较小的地震作用下在连梁上出现裂缝。楼面梁不宜支撑在剪力墙的连梁上，在剪力墙结构遭遇地震作用时，剪力墙的连梁最先出现裂缝，对楼面结构受力很不利。当结构地震作用较大时，即使对连梁的刚度进行了折减，还会有一些连梁的截面不足，有的说，这种情况可以不管，我觉得不管不合适，因为只要愿意调整，还是会找到办法的，可以加厚剪力墙，连梁宽度就可以加大。连梁截面可以加高等办法都可以用。调整模型要有耐心，如果连梁刚度都折减了，连梁截面要求还不达标的话，就和规范强剪弱弯的要求不符。

住宅剪力墙结构里面因为建筑分割空间的需要，有时候会在剪力墙平面外设置楼面梁，规范上给了两种做法：①沿楼面梁轴线方向设置与梁相连的剪力墙和扶壁柱；②在墙内设置暗柱。前者应用于楼面梁跨度较大时，而且楼面梁跨度越大，相应设置的剪力墙肢要长一点，这样容易平衡楼面梁的弯矩。特别要避免在剪力墙端部设置暗柱，暗柱平面外再单面设置楼面梁的情况，这样做受力非常不好。较小跨度的楼面梁与剪力墙平面外相连，在暗柱中要配置钢筋，平衡楼面梁的弯矩，此时可以根据梁墙节点弯矩平衡的关系来计算暗柱内的配筋，单面相接的楼面梁可按梁配筋算出梁截面极限弯矩。这个弯矩在中间楼层由两个墙暗柱截面来平衡，在顶层由一个暗柱截面来平衡。

在剪力墙底部加强部位范围内，根据规范要求设置约束边缘构件或构造边缘构件，增强剪力墙结构的塑性变形能力，剪力墙构件端部一般设有楼面梁，作用有集中荷载，地震作用较大时，剪力墙端部受拉，其受力较复杂，所以在非底部加强部位端部设置构造边缘构件。无论是约束边缘构件还是构造边缘构件，都是三向受约束的混凝土构件，钢筋对混凝土的约束较好。剪力墙连梁是剪力墙结构在地震作用下的第一道防线，是先出现裂缝的耗能构件，在配筋上要实现连梁的强剪弱弯，连梁受弯钢筋不能大于规范规定的最大配筋率。

结束语：

在做剪力墙结构的结构计算模型过程中，遵循先控制轴压比，再调整周期和位移，使结构的刚度由弱变强的顺序调整模型。并且注意短肢墙，墙身长度，连梁配筋等问题的解决。就能做出既安全又经济的剪力墙结构住宅。