解析建筑结构设计中剪力墙结构的运用

2020-12-02丁建光

商品与质量 2020年20期

丁建光

中城投集团第六工程局有限公司安徽蚌埠 233000

随着城市化建设的脚步不断加快，城市人口也大幅增加，由于城市用地紧缺，在建设的过程中通常会采用高层建筑来来解决这一问题。为了确保高层建筑的稳定性，通常在设计的过程中对建筑的整体抗震效果有了更高的要求。由于剪力墙结构具有抗侧刚度大、抗震性能好等特点，因此在建筑结构设计中得到了广泛的应用。所以在建筑结构设计的环节中，应该注重剪力墙结构的设计[1]。

1 剪力墙结构基本概念

剪力墙又称抗震墙，一般截面高度与厚度之比为大于8。剪力墙结构是指以剪力墙为主要承重构件的结构形式。剪力墙结构具有刚度大、整体性好以及承载力高等优点。科学合理的设计有助于稳定建筑的基本结构，更好地增加建筑物的承载力，降低因为地震、台风等外在自然力的破坏。从当前的情况来看，目前的建筑结构可以分为以下几种类型，他们依次是框架、混合以及剪力墙等结构。在所有的结构中，剪力墙结构在高层建筑中应用的最广泛。究其原因，主要是这种结构具有较高的承载力，能够抵抗来自不同方向的荷载作用。在设计剪力墙结构时，钢筋混凝土是使用最多的建筑材料。

2 剪力墙结构的设计

2.1 计算参数的取值

计算时应选取足够的震型数，对于B级高度的高层建筑和复杂高层建筑，考虑平扭耦联计算结构的扭转效应，振型数不应小于15，对多塔楼结构的振型数不应小于塔楼数的9倍，且计算振型数应使各振型参与质量之和不小于总质量的90%。设计时，若有效质量系数不能满足规范要求，可通过增加计算震型数进行调整。

考虑到高层剪力墙结构中的填充墙本身具有一定的刚度，对整体结构的地震作用有一定放大作用，因此需对高层建筑结构的计算自振周期进行折减，剪力墙结构周期折减系数一般为0.8～1.0。

地震力沿不同方向作用时，结构地震反应的大小也不一样，结构地震反应值最大的即为最不利地震作用方向。当计算出的最大地震力作用方向大于15度时，应考虑最不利地震作用方向的影响。

当采用刚性楼板假定时，在分析中应考虑楼板对梁刚度的贡献，可通过梁刚度放大系数来近似考虑。梁刚度放大系数Bk看一般取值为1.0～2.0，两侧均与刚性楼板相连的中梁的刚度放大系数为Bk,只有一侧与刚性楼板相连的梁的刚度放大系数为（1+Bk）/2[2]。

2.2 平面布置

剪力墙的布置应遵循均匀对称的原则，尽量沿主轴方向双向布置，两个方向的侧向刚度不宜相差过大，使剪力墙的刚度中心和重力中心能够吻合，以此减少扭矩；尽量减少一字型的短肢剪力墙的布置，双向的更有利于结构的稳定性；较长的剪力墙应选择采用开洞口的方式，将墙体划分成几段；避免错洞墙的设计，因为目前尚没有很简便的方法来分析；对平面形状凹凸较大时，尽可能在凸出部分的端部附近布置剪力墙。

2.3 剪力墙连梁设计

剪力墙连梁是指两端都与剪力墙相连，跨高比小于5的梁。在侧向力作用下，连梁比较容易出现些裂缝，设计时应遵循强墙肢弱连梁、强剪弱弯的原则。由于与连梁相连的墙肢刚度比较大，内力也很大，连梁首先屈服，梁端出现裂缝，刚度随之减弱，内力进行重分布，因此在进行结构设计时就需对连梁刚度进行折减。当连梁正截面受弯承载力或斜截面受剪承载力不满足要求时，可采取增加洞口宽度，以减少连梁刚度，降低地震作用的影响；对于跨高比小的高连梁，可以设置水平缝形成双连梁实现弯曲破坏，还可以增加交叉暗柱或设置斜向的交叉构造钢筋来改善连梁的受力性能。

2.4 剪力墙边缘构件设计

剪力墙的边缘构件分为构造边缘构件和约束边缘构件，为了能使剪力墙结构发挥其自身特点，边缘构件的设计十分重要。在设计过程中，应严格根据不同抗震等级及剪力墙底部轴压比选择合适的边缘构件，并在约束边缘构件和构造边缘构件之间设置过渡层，避免剪力墙刚度及承载力的突变，改善结构的延性，提高结构的抗震性能。对于构造边缘构件纵向钢筋的配置，应满足最少钢筋根数、最小钢筋直径、最小配筋率的要求。

2.5 剪力墙墙肢设计

剪力墙墙肢高厚比大于8时，为一般剪力墙，墙肢高厚比为5～8时，为短肢剪力墙，墙肢高厚比小于4时，按框架柱设计。一般剪力墙墙肢较长，抗侧刚度大，能承受很大的水平力及竖向荷载，因此设计中应优先布置一般剪力墙；短肢剪力墙因墙肢较短，有利于住宅布置，可以减轻结构自重，但其抗震性能不如一般剪力墙，其数量不宜过多。因此，在结构设计中，应多布置一般剪力墙尽量少采用短肢剪力墙。

在设计剪力墙结构时，剪力墙的截面厚度需按规范要求进行墙体稳定性进行验算，对于一、二级剪力墙：底部加强部位不应小于200mm，其他部位不应小于160mm ，一字形独立剪力墙底部加强部位不应小于220mm，其他部位不应小于180mm；三、四级剪力墙：不应小于160mm，一字形独立剪力墙的底部加强部位尚不应小于180mm；对于短肢剪力墙，其截面厚度除了满足上述要求外，底部加强部位尚不应小于200mm，其他部位尚不应小于180mm[3]。

剪力墙的配筋应满足计算要求，为了防止混凝土墙体在受弯裂缝出现后立即达到极限受弯承载力，配置的竖向分布钢筋必须满足最小配筋率要求；同时，为了防止写裂缝出现后发生脆性的剪拉破坏，水平分布钢筋也必须满足最小配筋率要求。剪力墙竖向和水平分布钢筋的配筋率，一、二、三级时均不应小于0.25%，四级和非抗震设计时均不应小于0.20%。剪力墙的竖向和水平分布钢筋的间距均不宜大于300mm，直径不应小于8mm。剪力墙的竖向和水平分布钢筋的直径不宜大于墙厚的1／10。