浅析高层剪力墙结构设计

　　摘要：剪力墙结构作为高层建筑中的主要结构形式，被广泛运用于现代高层建筑。剪力墙结构既抵抗侧向力又承受竖向荷载，由于它是截面高度大而厚度相对很小的"片"状构件，有着承载力大和平面内刚度大等优点，但也具有剪切变形相对较大、平面外较薄弱的不利性能。此外，开洞后的剪力墙形式变化多，受力状况比较复杂，因而了解剪力墙的特性，发挥其所长，克服其所短，是正确设计剪力墙的关键。

　　关键词：剪力墙 ; 结构设计

　　Abstract: The shear wall structure as high-rise buildings in the main structure which is widely used in modern high-rise buildings. Shear wall structure of both the resistance to lateral forces to withstand vertical loads, because it is the section height and thickness of the relatively small "film"-like structures, has a large carrying capacity and stiffness in the plane, etc., but also with shear deformation relatively large, the weaker negative performance plane. In addition, the changes of form of the shear wall in the open hole, the stress situation is more complex, and thus to understand the characteristics of the shear wall, play their skills to overcome their short, it is the key to the proper design of shear walls.

　　Key words: shear wall; structural design

　　中图分类号 :TU398+.2文献标识码： A 文章编号：

　　1 剪力墙结构的基本含义

　　1.1 剪力墙的定义:①一般剪力墙是指墙肢截面长度与厚度之比大于8的竖向构件，短肢剪力墙是指墙肢截面长度与厚度之比为4～8的剪力墙;当比值小于4时，则按柱计算②高层建筑结构不应采用全部短肢剪力墙的剪力墙结构;③短肢剪力墙较多时，应布置筒体(或一般剪力墙)，形成短肢剪力墙与筒体(或一般剪力墙)共同抵抗水平力的剪力墙结构。

　　1.2 短肢剪力墙结构的必要条件:抗震设计时，短肢墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不大于结构总底部地震倾覆力矩的50%。

　　1.3 剪力墙结构的下限:当短肢墙较少时，如短肢墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩小于结构总底部地震倾覆力矩的15%～40%，则可以按普通剪力墙结构设计。下限规范没有规定，可以灵活掌握。如果在剪力墙结构中，只有个别短肢墙，不应看成短肢剪力墙结构而应作为一般剪力墙结构处理。

　　2 剪力墙设计中的基本概念

　　2.1 剪力墙高和宽尺寸较大但厚度较小，几何特征像板，受力形态接近于柱，而与柱的区别主要是其长度与厚度的比值，当比值小于或等于4时可按柱设计，当墙肢长与肢宽之比略大于4或略小于4时可视为为异形柱，按双向受压构件设计。

　　2.2 剪力墙结构中，墙是一平面构件，它承受沿其平面作用的水平剪力和弯矩外，还承担竖向压力;在轴力，弯矩，剪力的复合状态下工作，其受水平力作用下似一底部嵌固于基础上的悬臂深梁。在地震作用或风载下剪力墙除需满足刚度强度要求外，还必须满足非弹性变形反复循环下的延性、能量耗散和控制结构裂而不倒的要求：墙肢必须能防止墙体发生脆性剪切破坏，因此注意尽量将剪力墙设计成延性弯曲型。

　　2.3 实际工程中剪力墙分为整体墙和联肢墙:整体墙如一般房屋端的山墙、鱼骨式结构片墙及小开洞墙。整体墙受力如同竖向悬臂，当剪力墙墙肢较长时，在力作用下法向应力呈线性分布，破坏形态似偏心受压柱，配筋应尽量将竖向钢筋布置在墙肢两端;为防止剪切破坏，提高延性应将底部截面的组合设计内力适当提高或加大配筋率;为避免斜压破坏墙肢不能过小也不宜过长，以防止截面应力相差过大。联肢墙是由连梁连接起来的剪力墙，但因一般连梁的刚度比墙肢刚度小得多，墙肢单独作用显著。

　　壁式框架:当剪力墙开洞过大时形成宽梁、宽柱组成的短墙肢，构件形成两端带有刚域的变截面杆件，在内力作用下许多墙肢将出现反弯点，墙已类似框架的受力特点，因此计算和构造应按近似框架结构考虑。

　　综上所述，设计剪力墙时，应根据各型墙体的特点，不同的受力特征，墙体内力分布状态并结合其破坏形态，合理地考虑设计配筋和构造措施。

　　2.4 墙的设计计算是考虑水平和竖向作用下进行结构整体分析，求得内力后按偏压或偏拉进行正截面承载力和斜截面受剪承载力验算。当受较大集中荷载作用时再增加对局部受压承载力验算。在剪力墙承载力计算中，对带翼墙的计算宽度按以下情况取其小值:即①剪力墙之间的间距;②门窗洞口之间的翼缘宽度;③墙肢总高度的1/10;④剪力墙厚度加两侧翼墙厚度各6倍的长度。

　　2.5 为了保证墙体的稳定性及便于施工，使墙有较好的承载力和地震作用下耗散能力，规范要求一、二级抗震墙时墙的厚度应³160mm，底部加强区宜³200mm，三、四级抗震等级时应³140mm，竖向钢筋应尽量配置于约束边缘。

　　2.6 在上述提到，在本地区，短肢剪力墙的定义，如墙厚³300mm，且³1/15层高，即使墙肢截面长度与厚度之比为4～8，也可视为一般剪力墙进行设计。

　　以上所述的剪力墙设计中的概念问题可能绝大部分设计人员都懂，但实际应用到工程设计中，施工图纸表达出来的东西有时则存在很大差别，追究原因，许多是与具体的构造处理有关，因此造成墙的截面和配筋差别大不合理。

　　3 剪力墙结构设计要点

　　3.1 A级高度乙类、丙类高层建筑的剪力墙结构最大适用高度。

　　全部落地剪力墙---非抗震、6度、7度、8度、9度抗震时，分别为150、140、120、100、60m部分框支剪力墙---非抗震、6度、7度、8度抗震时，分别为130、120、100、80m，9度抗震时不宜采用A级高度甲类高层建筑的剪力墙结构最大适用高度:6度、7度、8度抗震时，将本地区设防烈度提高一级后，按乙类、丙类建筑采用9度抗震时，应专门研究(说明:房屋高度指室外地面至主要屋面高度，不包括局部突出屋面的电梯机房、水箱、构架等高度)。

　　3.2 B级高度乙类、丙类高层建筑的剪力墙结构最大适用高度。

　　全部落地剪力墙非抗震、6度、7度、8度抗震时，分别为180、170、150、130m部分框支剪力墙---非抗震、6度、7度、8度抗震时，分别为150、140、120、100mB级高度甲类高层建筑的剪力墙结构最大适用高度:6度、7度抗震时，按本地区设防烈度提高一级后，按乙类、丙类建筑采用8度抗震时，应专门研究。

　　3.3 结构的最大高宽比。

　　A级高度---非抗震、6度、7度、8度、9度抗震时，分别为6、6、6、5、4B级高度---非抗震、6度、7度、8度抗震时，分别为8、7、7、6。

　　3.4 质量与刚度分布明显不对称、不均匀的结构，应计算双向水平地震作用下的扭转影响; 其他情况，应计算单向水平地震作用的扭转影响。

　　3.5 考虑非承重墙的刚度影响，结构自振周期折减系数取值0.9～1.0。

　　3.6 水平位移验算:多遇地震作用下的最大层间位移角 £罕遇地震作用下的薄弱层层间弹塑性位移角£1/120。

　　3.7 舒适度要求:高度超过150m的高层建筑，按10年一遇的风荷载取值计算的顺风向与横风向结构顶点的最大加速度限值为：住宅、公寓 0.15m/s2，办公、旅馆 0.25m/s2。

　　4 剪力墙结构计算的要点

　　现简单阐述一下高层剪力墙结构计算的几个要点。地震周期，层间位移角，轴压比等基本控制参数在这里不再讲述，下面讲述：

　　4.1 剪重比:剪重比是抗震设计中非常重要的参数。规范之所以规定剪重比，主要是因为长期作用下，地震影响系数下降较快，由此计算出来的水平地震作用下的结构效应可能太小。而对于长周期结构，地震动态作用下的地面加速度和位移可能对结构具有更大的破坏作用，但采用振型分解法时无法对此作出准确的计算。因此，出于安全考虑，规范规定了各楼层水平地震力的最小值，该值如果不满足要求，则说明结构有可能出现比较明显的薄弱部位，必须进行调整。08版《抗震规范》5..2.5作了详细规定。另外，对于存在竖向不规则的薄弱层，其剪力系数应放大1.15倍;

　　4.2 刚重比:刚重比是结构刚度与重力荷载之比。它是控制结构整体稳定性的重要因素，也是影响重力二阶效的主要参数。该值如果不满足要求，则可能引起结构失稳倒塌，结构计算时应按《高规》5.4.1-5.4.4相关规定作每层刚重比验算。按EJd/GH**2计算，比值³2.7，则不需要作重力二阶验算，2.7³比值³1.4，则需要作重力二阶验算，如比值小于1.4，则说明结构体系不满足结构整体稳定性;

　　4.3 层间刚度比:层间刚度比是控制结构竖向不规则的重要指标。根据《抗震规范》和《高规》的要求，三种刚度比的计算方式，分别是剪切刚度，剪弯刚度和地震力与相应的层间位移比。正确认识这三种刚度比的计算方法和适用范围是刚度比计算的关键：1)剪切刚度主要用于底部大空间为一层的转换结构及对地下室嵌固条件的判定;2)剪弯刚度主要用于底部大空间为多层的转换结构;3)地震力与层间位移比是执行《抗震规范》第3.4.2条和《高规》4.3.5条的相关规定，通常绝大多数工程都可以用此法计算刚度比。当结构竖向构件转换时，就必须考虑转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比。此外，周期比，层间位移及位移比等控制参数均需按规范作严格控制，这里不再叙述。

　　5 剪力墙的边缘构造

　　结构试验表明矩形截面剪力墙的延性比工字形或槽形截面剪力墙差;计算分析表明增加墙肢截面两端的翼缘能显著提高墙的延性;因此在矩形墙两端设约束边缘构件不但能较显著地提高墙体的延性，还能防止剪力墙发生水平剪切滑动提高抗剪能力。

　　6 剪力墙结构的厚度和配筋问题

　　6.1 墙的水平分布筋是为横向抗剪以防止墙体在斜裂缝出现后发生脆性剪切破坏，同时起到抵抗温度应力防止砼出现裂缝，设计中当建筑物较高较长或框剪结构时配筋宜适当增加，特别在连梁部位或温度、刚度变化等敏感部位宜适当增加。但对于矮、短的房屋，其水平筋的配筋率可适当减小。

　　6.2 墙的竖向钢筋主要起抗弯作用，目前在一些多层低高层剪力墙中计算结果多为构造配筋;但配筋时所取的配筋率往往扣除了约束边缘构件或构造边缘构件中的钢筋，个人觉得竖向最小配筋率应该包括边缘构件中的钢筋，墙肢的竖向配筋原则也应该尽量将钢筋布置在墙端部边缘区并保证钢筋间距≦300mm，也应该注意防止竖筋过多使墙的抗弯承载力远大于抗剪承载力，对抗震不利。

　　7 剪力墙结构的超长问题

　　混凝土规范9.1.1条规定现浇混凝土剪力墙结构的温度伸缩缝最大间距当在室内或土中时为45m，露天时为30m;而现浇框架剪力墙或框架核心筒结构的伸缩缝间距可取45～55m，规范的这一规定显然与现今建筑的体量越来越大但功能又要求不设缝发生矛盾;因此目前许多工程中的伸缩缝间距都突破了规范的规定，也造成了设计人员在设计中遇到超长结构时的胆量越来越大。个人觉得今后当剪力墙结构超长时，应该慎重处理为好，过长时应该尽量设置温度伸缩缝，宜较严格遵守规范规定的限值，理由如下：

　　7.1 剪力墙结构刚度大，受温差影响大，混凝土的收缩、徐变产生的变形大，墙体对楼面、屋面产生的约束也大;当结构发生收缩变形时比其他结构易出现裂缝。一些未超长的剪力墙结构产生墙体或楼面裂缝，其主要原因就在此。

　　7.2 混凝土结构受温度或收缩徐变的影响与众多因素有关;而体型庞大的剪力墙房屋往往形状复杂，混凝土收缩大，约束应力积聚也大，施工工艺及管理也难控制，环境影响使用变化难于判断，因此更难于解决混凝土收缩变形时，在受约束条件下引起拉应力而保证不出现裂缝。

　　7.3 目前随着市场形势的变化，大部分工程要赶工加班，质量难保证，为赶工混凝土中水泥用量普遍增大，使混凝土收缩量增大，加上由于混凝土强度的提高，使弹性模量增加将引起更大的约束拉应力产生，使结构出现裂缝的因素增多。

　　7.4 普遍使用商品混凝土泵送施工，为了泵送，增大水泥用量，减少了中粗骨料含量和骨料粒径，加上泵送混凝土配合比和施工送料时的不良因素影响等都加大了结构收缩量，增加产生裂缝的因素。

　　综上所述，今后在处理超长结构时，特别是处理超长的剪力墙结构时要特别慎重;当发生实在由于建筑使用功能要求不允许超长建筑设永久缝时，建议采用对结构施加预应力的方法并结合采用设计构造措施、施工措施共同给予处理

　　结语：

　　随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，对建筑剪力墙结构设计也提出了更高的要求。打破建筑结构设计中的墨守成规，充分发挥结构工程师的创新和应用能力，是相当必要的。因为他们是结构设计革命的推动者和执行者，这则需要工程界进行共同的努力，推广更好的概念设计思想的一种有效办法。

　　参考文献:

　　[1]于 群.小高层住宅中短肢剪力墙结构的设计应用[J].中国科技信息,2005.

　　[2]《高层建筑混凝土结构技术规程》中国建筑工业出版社。

　　[3] JGJ5-2002.高层建筑混凝土结构技术规程[S]