高层剪力墙结构设计要点浅析

高云娇

0 引言

剪力墙结构通常是高层住宅建筑中所采取的主要结构形式。其中，剪力墙的布置对于整体结构而言，可形成有效抵抗水平力作用的体系，有着良好的抗震性能。同时，在进行建筑功能布局时，又能起到对空间的各种分割作用，同时满足住户对使用功能的需求。因此，该结构形式被广泛应用于现代高层建筑工程实际应用当中。但考虑到具体工程所处的地域差异化，因此，在进行结构计算时，往往需要根据项目所处地理位置，根据现行抗震规范及地勘报告所提出的地震烈度，调整相应的计算参数。在一些构造措施上，也存在着些许差异。本文就某具体工程实例中遇见以及相关类似的问题，进行深入讨论分析。

1 剪力墙结构设计

1.1 工程概况

本工程为位于北京市的某高层住宅楼。建筑总面积约为19 807 m，其中地上建筑面积为17 899 m，地下建筑面积为1 908 m，建筑总高度为70 m。地上24 层，地下3 层，层高为2.85 m。建筑设计使用年限为50 年，抗震设防类别为丙类，设防烈度为8 度，设计的地震加速度取为0.2g，地震分组属于第二组，场地类别为Ⅲ类建筑场地，场地的特征周期为0.55s，如图1 所示。

图1 工程概况

1.2 设计过程中各种主要参数的选取

设计过程中，结合抗震规范及地质勘察报告所提供数据，最终确定其抗震等级是二级，涉及的主要参数详见表1。计算原则为在建筑结构两个主轴方向上计算水平地震作用，竖直向分别计算恒荷载、活荷载，按照模拟施工的方法加载于计算模型中。

表1 设计过程中主要参数的选取

1.3 剪力墙布置

1.3.1 墙体厚度的确定

剪力墙墙体的厚度一般受建筑体量、抗震烈度、是否设置端柱等情形所影响，为了保证墙体的刚度、防止其由于失稳而导致破坏，通常会对其最小厚度进行要求。《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定，详表2 所示。

表2 墙体厚度

设计时，应先假定墙体厚度，然后进行电算，在满足安全性且兼顾经济性的前提下，根据各项计算结果参数，分析比对后，反复调整其布置，确定墙体厚度。

1.3.2 墙体布置的原则

根据相关规范及建筑功能布局，混凝土墙体布置原则：（1）墙体须上下连续，贯穿全高、避免刚度突变，也可沿高度改变混凝土强度等级、墙体的厚度或者减少部分的剪力墙墙肢，在满足安全性的前提下达到经济；（2）左右对称布置，可减少结构的扭转；（3）为使在两个主轴方向上的抗侧刚度达到平衡，剪力墙双向布置；（4）避免错洞，洞口宜成列布置，成明确的联肢墙；（5）各墙肢长度均匀，不宜单墙段刚度过大。本工程墙体布置示意图2 所示。

图2 墙体布置

2 常见的问题及处理措施或建议

2.1 结构扭转的问题及处理措施

结构设计时，由于结构布置得不合理，电算结果会出现扭转的现象，这是设计过程中经常会碰到的问题，规范也对结构的位移比做了要求，竖向构件最大水平和层间位移，不宜大于该层平均值1.2 倍，不应大于该层平均值1.4 倍。

在进行初步布置墙体后，可先对整体结构进行原则性分析，即观察该结构平面的质心和刚心的相对位置关系。如二心偏差较大，一般不容易满足规范要求，如二者距离相对较近，则容易顺利通过计算，满足规范限值。通常情况下，住宅剪力墙结构平面中刚心在质心上方。这是因为受户型、开窗等建筑功能布局导致的必然结果。合理的结构布置，质心和刚心在X 轴方向上的绝对距离，不应该太大。

当不符合规范要求时，建议可以通过两种解决办法进行调整：

（1）整体结构上加强其抗扭能力，可沿两主轴方向适当加强剪力墙的外围刚度，如增加周圈剪力墙的布置、提高外圈梁的梁高等，同时或者适当削弱结构内部的刚度，但需注意的是，层间位移角必须满足规范要求；若第二振型发生扭转时，可加强外围沿第一个振型转角方向的刚度或减小沿第三个振型转角方向的刚度。

（2）局部结构上进行调整，查出超限部位的节点，针对该节点处的结构布置调整，如加大此处梁高，或削弱与其相对称部位的刚度以达到方向上平衡。

第一种方法，通常适用于在模型计算初期定案时使用。在定案初期，会出现因为预估不足，导致整体结构刚度不足的情况，所以需要对整体结构刚度进行大范围调整，增加的剪力墙墙量较多。

第二种方法，通常适用于模型计算基本稳定，结构整体刚度基本满足的情况下，针对个别点位薄弱，进行小范围点对点加强处理。但是在计算过程中，要注意某个点处理后，是否会带来相应的不利结果，随时进行调整。如在采取此法进行调整时，出现计算结果参数突变的情况，设计者需特别注意，大多情况下，应该是整体结构布局不合理，才会导致微调情况下引起突变。此时不宜再进行小范围调整，建议对整体结构布局重新审定、分析，达到整体结构布局合理条件后，再对模型进行微调。

2.2 基础埋深、选型的问题

2.2.1 基础埋深

（1）高层建筑基础埋深，根据不同情况（设计者自行查阅规范即可），规范要求为不宜小于建筑总高度1/15 和1/18。在此前提下，再结合实际土层分布情况，选取合适的持力土层作为基础底。（2）特殊情况下，建筑所处位置的地质条件不好，如其下有采空区，而地下设置了地下车库，住宅楼与车库相连，且之间设置沉降缝，为了满足基础埋置深度要求、楼座稳定性及抗倾覆等要求，需降低楼座筏板底标高，结构做下沉层进行处理，如图3 所示，使其满足要求。

图3 基础埋深示意

2.2.2 基础选型

选取天然地基或CFG 处理为持力层的基础，一般选用筏板基础；当不满足上述情况时，通常采用承台梁桩基+止水板基础形式，也有采用独立承台+拉梁+止水板情形。第一种情况，通常适用于高烈度剪力墙布置较多地域，第二种情况多用于低烈度区，剪力墙墙肢相对较短的地域。

2.3 墙体配筋的问题

结构设计过程中，应重点把握剪力墙的配筋，无论是水平筋还是竖向筋，都起着至关重要的作用，如减少收缩裂缝、增强抗弯抗剪等性能。若墙体中水平分布钢筋过少，一旦出现斜裂缝，会快速发展为斜向的主裂缝，从而导致墙体发生破坏；若墙体中竖向分布钢筋过少，当墙肢端部的纵向受力筋达到屈服以后，裂缝会快速展开，影响结构安全。规范中也对不同抗震等级的墙体配筋率做出了最小的限制要求，抗震等级为一、二、三级时不应小于0.25%，四级时不应小于0.2%。

2.4 底部加强区的确定及约束边缘构件的设置

高层剪力墙设计往往遵循“强剪弱弯和强墙肢弱连梁”的原则，同时设计过程中还需控制各墙肢的轴压比和剪压比，避免剪跨比小的墙肢布置，为了提高底部剪力墙的抗剪切破坏能力，在其出现塑性铰之后还能拥有较大的延性，故在剪力墙底部设置加强区及约束边缘构件等。

底部加强区的设置：根据规范房屋高度大于24m 时，底部加强区取值原则为：剪力墙肢总高度的十分之一及下部两层，二者取其大。

约束边缘构件的设置：若剪力墙墙肢在底部加强高度范围内截面尺寸保持不变，即在此范围内墙底应出现最大轴压比数值，可以根据这个数值来判断是否设置约束边缘构件。当剪力墙墙底截面的轴压比不是最大值时，应以底部加强部位高度范围内墙肢的最大轴压比数值为确定是否设置约束边缘构件。

结合本工程具体情况，底部加强区取为基础顶至地上三层，约束边缘构件向上延伸一层，底部加强高度范围内，墙肢内最大轴压比出现在墙底截面，对于最大轴压比未超过规范要求时，设置为构造边缘构件。

2.5 楼面梁与剪力墙平面外相交

当混凝土梁与剪力墙在平面外相交且墙厚度较小时，梁与墙一般为半刚接，工程中当梁截面高度h与墙肢厚度b之比较大（如h/b≥2）时，会使墙肢在平面外承受很大的弯矩，此时，应注意剪力墙平面外的受弯安全问题。处理措施如下：

（1）可在框架梁与剪力墙相交位置设混凝土扶壁柱，并用其来承受此处弯矩，扶壁柱的截面宽度取不应小于梁宽。

（2）若无法设置扶壁柱时，可在梁与墙的交叉处设暗柱，暗柱的截面尺寸取为墙肢厚度b×（梁宽度b2×b）。

（3）为抵抗此墙肢的平面外的弯矩，可沿楼面梁的轴线方向设与其相连接的墙。

（4）也可在剪力墙内设置型钢。

（5）楼面梁伸出墙面形成梁头，或设置为内凸边框梁，边框梁宽度满足梁端钢筋锚固要求。

（6）可对梁墙节点进行铰接处理，将梁与墙的连接端按铰接端计算，并考虑工程的实际情况，对铰接端进行构造配筋。构造配置的纵筋应尽量不使用较大直径的钢筋，用细直径及密的钢筋进行取代，以减少钢筋的直段锚固长度0.4L对墙厚的要求。

本工程楼面梁与剪力墙平面外相交情况，如图4 所示。为减小剪力墙平面外承受的弯矩，本工程采取设置暗柱及对梁墙节点进行铰接处理等措施，同时混凝土梁配置的纵筋使用小直径钢筋。

图4 楼面梁与剪力墙平面外相交情形

2.6 连梁抗剪强度不足的问题

剪力墙结构设计过程中最常见也是最普遍的问题就是连梁抗剪强度不够，产生破坏时为脆性剪切破坏，其违反了强剪弱弯的设计原则，也不能形成弯曲破坏时作为耗能构件的第一道防线，故应采取有效措施，加强其强度。

处理措施可以从以下两个方面：

（1）计算过程中：①改变结构布置，降低连梁刚度，从而减少所承担的地震作用；②通过调整结构布置，使水平荷载得以合理分配，使其所承受的剪力变小；③可调整连梁刚度折减系数，内力计算前，直接对连梁的刚度进行折减，折减系数不小于0.5；内力计算后，对连梁的弯矩组合值乘以调幅系数；④采用设置水平缝的双连梁，但因在计算假定与截面选取等方面都与实际受力存在较大差异，很难使连梁遵循强剪弱弯的原则，因此，在这里不建议在强震区使用此种处理措施；⑤通过提高混凝土的强度等级，来提高连梁的抗剪承载力；⑥通过改变连梁计算高度，寻找与连梁所能承受的最大抗剪承载力相匹配的抗弯承载力，而连梁的实际截面高度并未减小；⑦对连梁的两端按铰接处理进行计算的前提是，其不能是次梁或者为主梁的支承梁。但需要注意的是，通过这种方式得到的计算结果中，层间位移比必须符合要求，连梁的上部钢筋可按构造要求配置即可。

（2）配筋过程中：①当连梁计算超筋，可通过调整截面高度寻求其能承受的最大受剪承载力，进行配筋时，按照实际的连梁与计算的连梁截面有效高度的比值，对纵向钢筋面积调整处理；②配置超筋连梁的箍筋时，已不符合规范中所给的公式，剪力的设计值应结合连梁截面的要求而定，这是较为准确地计算相应连梁箍筋面积的方法。

2.7 小墙肢轴压比过大

设计过程中，受建筑功能及造型的影响，经常会出现混凝土墙布置得不匀，或门窗把墙体分割为小墙肢，导致在承受集中荷载时，轴向力较大，此时需采取一定补强措施，保证墙肢的结构安全。

（1）墙体转角处存在多根梁相交，需注意其局部承压强度，必要时可用增加墙垛的方法；

（2）楼梯间处不作为梯板或平台板支承的剪力墙兼作室外墙体时，应核实其墙体的稳定性，可采用墙体局部加厚的办法。

2.8 墙体开洞的处理

剪力墙墙体在满足建筑使用功能前提下，兼顾竖向承重和抗侧力工作机能。故在实际工程中，会不可避免出现墙体开洞的情形。墙体开洞要遵循以下原则：

（1）所有建筑门窗洞口处，为满足使用功能，必须开洞。此种洞口除个别窗户可进行小范围微调外，基本都需按建筑条件开洞。

（2）水暖专业通风、采暖（北方地区）所需预留洞口，电气专业配电柜、桥架等需预留洞口。此种洞口可调性要大于第一种情况，当机电专业所提穿墙位置相对不合理时（如在暗柱附近，或穿暗柱的位置），可在协商后进行调整机电专业管线走向。避免主体结构出现严重不合理情形。

（3）结构专业洞口，此种洞口为非使用功能需求性洞口，纯粹为了避免出现长墙肢，导致局部刚度过大，吸收地震力较多，破坏整体结构平衡。规范规定墙肢长度不宜大于8m，高度与墙长比不宜小于3，其考虑出发点亦是为了尽量避免出现刚度过于集中的情况。

2.9 混凝土强度的选用

本项目基础选用C40 混凝土，墙体选用 C40、C35、C30按竖向递减排列分布，楼板选用 C30 混凝土。

墙体混凝土选用及概念设计：基础至地上五层顶，采用C40 混凝土，六层至十层选用C35 混凝土，其余部分选用C30混凝土。本工程底部加强区为基础至三层顶，约束边缘构件至四层顶，可起到增加结构延性的概念设计效果。竖向墙体混凝土标号在此基础上延伸一层，亦是从概念设计层面考虑，而非受机械性计算结果控制。

3 结束语

通过对以上设计过程中出现的问题分析总结，可以看出，在剪力墙结构设计中，应从宏观、微观层面多层次开展设计工作。设计过程中，不但要满足规范条文，也要同时兼顾考虑实现建筑功能、满足结构安全、使用人性、经济合理等一系列多重因素。