淺談剪力墻設計

王勛璽

[摘要]剪力墻結構中，墻是一平面構件，它承受沿其平面作用的水平剪力和彎矩外，還承擔豎向壓力；在軸力，彎矩，剪力的復合狀態(tài)下工作，其受水平力作用下似一底部嵌固于基礎上的懸臂深梁。在地震作用或風載下剪力墻除需滿足剛度強度要求外，還必須滿足非彈性變形反復循環(huán)下的延性、能量耗散和控制結構裂而不倒的要求：墻肢必須能防止墻體發(fā)生脆性剪切破壞，因此注意盡量將剪力墻設計成延性彎曲型。

[關鍵詞]結構設計；剪力墻

1.1剪力墻高和寬尺寸較大但厚度較小，幾何特征像板，受力形態(tài)接近于柱，而與柱的區(qū)別主要是其長度與厚度的比值，當比值小于或等于4時可按柱設計，當墻肢長與肢寬之比略大于4或略小于4時可視為為異形柱，按雙向受壓構件設計。

1.2剪力墻結構中，墻是一平面構件，它承受沿其平面作用的水平剪力和彎矩外，還承擔豎向壓力；在軸力，彎矩，剪力的復合狀態(tài)下工作，其受水平力作用下似一底部嵌固于基礎上的懸臂深梁。在地震作用或風載下剪力墻除需滿足剛度強度要求外，還必須滿足非彈性變形反復循環(huán)下的延性、能量耗散和控制結構裂而不倒的要求：墻肢必須能防止墻體發(fā)生脆性剪切破壞，因此注意盡量將剪力墻設計成延性彎曲型。

1.3實際工程中剪力墻分為整體墻和聯(lián)肢墻：整體墻如一般房屋端的山墻、魚骨式結構片墻及小開洞墻。整體墻受力如同豎向懸臂，當剪力墻墻肢較長時，在力作用下法向應力呈線性分布，破壞形態(tài)似偏心受壓柱，配筋應盡量將豎向鋼筋布置在墻肢兩端；為防止剪切破壞，提高延性應將底部截面的組合設計內力適當提高或加大配筋率；為避免斜壓破壞墻肢不能過小也不宜過長，以防止截面應力相差過大。

聯(lián)肢墻是由連梁連接起來的剪力墻，但因一般連梁的剛度比墻肢鋼度小得多，墻肢單獨作用顯著，連梁中部出現(xiàn)反彎點要注意墻肢軸壓比限值。

壁式框架：當剪力墻開洞過大時形成寬梁、寬柱組成的短墻肢，構件形成兩端帶有剛域的變截面桿件，在內力作用下許多墻肢將出現(xiàn)反彎點，墻已類似框架的受力特點，因此計算和構造應按近似框架結構考慮。

綜上所述，設計剪力墻時，應根據各型墻體的特點，不同的受力特征，墻體內力分布狀態(tài)并結合其破壞形態(tài)，合理地考慮設計配筋和構造措施。

1.4墻的設計計算是考慮水平和豎向作用下進行結構整體分析，求得內力后按偏壓或偏拉進。行正截面承載力和斜截面受剪承載力驗算。當受較大集中荷載作用時再增加對局部受壓承載力驗算。在剪力墻承載力計算中，對帶翼墻的計算寬度按以下情況取其小值：即①剪力墻之間的間距；②門窗洞口之間的翼緣寬度；③墻肢總高度的1/10；④剪力墻厚度加兩側翼墻厚度各6倍的長度。

1.5為了保證墻體的穩(wěn)定性及便于施工，使墻有較好的承載力和地震作用下耗散能力，規(guī)范要求一、二級抗震墻時墻的厚度應≥160mm，底部加強區(qū)宜≥200mm，三、四級抗震等級時應≥140mm，豎向鋼筋應盡量配置于約束邊緣。

以上所述的剪力墻設計中的概念問題可能絕大部分設計人員都懂，但實際應用到工程設計中，施工圖紙表達出來的東西有時則存在很大差別，追究原因，許多是與具體的構造處理有關，因此造成墻的截面和配筋差別大不合理。

2剪力墻的邊緣構造

2.1結構試驗表明矩形截面剪力墻的延性比工字形或槽形截面剪力墻差；計算分析表明增加墻肢截面兩端的翼緣能顯著提高墻的延性；因此在矩形墻兩端設約束邊緣構件不但能較顯著地提高墻體的延性，還能防止剪力墻發(fā)生水平剪切滑動提高抗剪能力。從89規(guī)范開始在剪力墻中提出了暗柱、端柱、翼墻(柱)、轉角墻(柱)，也就是目前規(guī)范中的約束邊緣構件或構造邊緣構件的抗震措施。

2.2對規(guī)范的不同理解往往產生了五花八門的設計。有人將每一軸線的墻理解為一片墻僅在端墻設暗柱，有人將凡是拐角或洞口邊都設暗柱，而即使是公開發(fā)表出版的權威參考書或設計手冊對暗柱(翼墻柱)的截面取值也出現(xiàn)了以下三種不同尺寸，因此造成配筋的差別很大，甚至相同的資料由于出版的時間不同，對規(guī)范的理解也有所不同。

2.3從2002年開始實施的建筑結構規(guī)范，根據結構類型及受力狀況，對剪力墻兩端及洞口兩側的加強邊緣，按墻肢在重力荷載代表值作用下墻肢軸壓比的界線及加強部位要求分為約束邊緣構件和構造邊緣構件兩類。

“抗規(guī)”GB50011-2001規(guī)定抗震墻結構、部分框支抗震墻中落地剪力墻當一、二級抗震時底部加強部位及相鄰的上一層均應按要求設置約束邊緣構件；但對于一般抗震墻結構(除部分框支墻外)當滿足墻肢軸壓比限值界線值時可按規(guī)定設置構造邊緣構件?！翱挂?guī)”未明確框架一剪力墻結構中的剪力墻需設置約束邊緣構件時抗震墻的抗震等級和軸壓比界限值；但根據混凝土規(guī)范11.7.14條筆者理解框架－剪力墻不受一、二抗震等級限制，凡底部加強區(qū)及其上一層當不滿足軸壓比限界時則均應設約束邊緣構件。綜合分析“抗規(guī)”、“砼規(guī)”和“高規(guī)”設計約束邊緣構件時，框剪結構、框支結構、框筒結構的要求應嚴于一般剪力墻結構，因此規(guī)范要求的條件也就多了一些，設計中應引起注意。由于各規(guī)范標準的編寫出版、發(fā)布、實施的時間不同，加上編寫人認識上的差別，各規(guī)范在一些條文內容上還存在不協(xié)調和不一致的地方。在此必須指出設計中不但要復核短墻肢軸壓比，也要復核長墻肢的軸壓比：抗震墻結構中，當層數在15層以內時其墻肢軸壓比一般都小于0.2，所以一般除9度地震區(qū)外，都可以不設約束邊緣構件(高層底部加強區(qū)除外)，只需設計構造邊緣構件，不少設計都忽視了這點，造成浪費。

2.4規(guī)范標準之間矛盾問題舉例。

2.4.1GB50011－2001第6.4.7條規(guī)定暗柱截面長度僅需滿足bw及≥400mm，不要求滿足le/2，在翼墻(柱)中只要求滿足壁柱≥300mm，不受墻厚bw的限制，而與“砼規(guī)”的要求矛盾。筆者認為“抗規(guī)”GN50011的規(guī)定比較合理；實際工程中按現(xiàn)行規(guī)范要求需要設暗柱之處絕大部位為對門窗洞口邊緣的加強，其墻肢屬于聯(lián)肢墻，非一字型矩形墻體，聯(lián)肢墻連梁起耗散地震能量作用，受力狀況和延性較好，在整體受力時當洞口較小時，往往墻體顯槽形截面，因此在剪力墻結構中除設置角窗處外，暗柱截面尺寸不必過大；而翼墻(柱)處實際上只是建筑橫墻肢的端邊緣，不屬縱墻肢的端邊緣，在縱向水平力作用下，縱向墻法向應力呈線性分布，縱墻肢受力似同偏壓柱；橫縱交點處剛度，約束性能好，因此對于翼墻(柱)的截面取值也沒必要過大；截面過大的暗柱和翼柱往往還容易形成連在一起，造成縱墻豎向配筋增加過多。但轉角墻(柱)則是剪力墻很重要的部位，必須嚴格遵守規(guī)范的規(guī)定。

2.4.2構造邊緣構件雖然“抗規(guī)”、“砼規(guī)”和“高規(guī)”都規(guī)定了配筋要求，但比較三本標準所給出的配筋要求的表格中的內容則是矛盾的，是不協(xié)調的；筆者

認為“砼規(guī)”GB50010－2002表11.7.16的要求比較合理。而“抗規(guī)”和“高規(guī)”表中的配筋要求是不夠合理或是不夠嚴密的。還應指出三本規(guī)范中所給出的縱向構造筋的數量4根或6根是不實際的；例如對于轉角墻(柱)的縱向筋數量，由于墻縱向筋的間距不宜大于300，又受墻厚限制，角柱的最小的縱向筋應為8根，當墻厚3300時則最少需要12根，不會出現(xiàn)4根或6根的情況。

3剪力墻結構的厚度和配筋問題

3.1根據抗震規(guī)范6.1.2條規(guī)定，8度地震區(qū)剪力墻結構的抗震等級至少應為二級；按6.4.1條要求剪力墻底部加強部位墻厚一、二級抗震等級時不宜小于200mm，且不小于層高的1/16，其他部位不小于160mm，當墻端頭無翼墻或暗柱時不應小于層高的1/12。以上規(guī)定目的是為防止因墻體平面外剛度過小，穩(wěn)定性差，容易在偏心荷載作用下壓屈失穩(wěn)，但這些規(guī)定對于八度地震區(qū)的多層及低高層剪力墻結構顯得不夠合理。例如5～15層的剪力墻結構，一般墻肢在重力荷載代表值作用下軸壓比都小于0.2，電算結果墻體往往只需要構造配筋，但只因底部功能要求3.9m層高，墻厚就得240mm，若業(yè)主要求室內視野開闊，不設外縱墻，橫墻朝外端頭不允許帶翼墻或端柱時，當層高3>5～4.2m時，則墻厚需要320～350mm，顯然不合理。所以像這樣的特殊情況的低多層建筑不應要求死扣規(guī)范，而通過采用概念設計分析，控制墻肢軸壓比，進行墻體截面條件、強度和穩(wěn)定性驗算并在構造上適當加強暗柱或配筋，保證其整體性連接等措施，是可以使墻厚減小的。

3.2墻體的配筋率，目前在“砼規(guī)”11.7.11條文強制規(guī)定在一、二、三級抗震等級的剪力墻中，豎向和水平分布筋的最小配筋率均不應小于0.25％；部分框支剪力墻底部加強部位的配筋率不應小于0.3％；這配筋率比其在80年代前的配筋率).07-0.1％要大多了，和國外的配筋率0.1～0.25％的高者基本接軌，這在高層或者較長的剪力墻結構中應該是合理的，但對于低矮、短小的剪力墻值得探討。

墻的水平分布筋是為橫向抗剪以防止墻體在斜裂縫出現(xiàn)后發(fā)生脆性剪切破壞，同時起到抵抗溫度應力防止砼出現(xiàn)裂縫，設計中當建筑物較高較長或框剪結構時配筋宜適當增加，特別在連梁部位或溫度、剛度變化等敏感部位宜適當增加。但對于矮、短的房屋，其水平筋的配筋率是否適當減小值得探討。

墻的豎向鋼筋主要起抗彎作用，目前在一些多層低高層剪力墻中電算結果多為構造配筋；但配筋時所取的配筋率有人往往扣除了約束邊緣構件或構造邊緣構件中的鋼筋，筆者認為豎向最小配筋率應該包括邊緣構件中的鋼筋，墻肢的豎向配筋原則也應該盡量將鋼筋布置在墻端部邊緣區(qū)并保證鋼筋間距≤300mm，也應該注意防止豎筋過多使墻的抗彎強度大于抗剪強度，對抗震不利。

4剪力墻結構的超長問題

4.1混凝土規(guī)范9.1.1條規(guī)定現(xiàn)澆混凝土剪力墻結構的溫度伸縮縫最大間距當在室內或土中時為45m，露天時為30m；而現(xiàn)澆框架剪力墻或框架核心筒結構的伸縮縫間距可取45～55m，規(guī)范的這一規(guī)定顯然與現(xiàn)今建筑的體量越來越大但功能又要求不設縫發(fā)生矛盾；因此目前許多工程中的伸縮縫間距都突破了規(guī)范的規(guī)定，也造成了設計人員在設計中遇到超長結構時的膽量越來越大。筆者認為今后當剪力墻結構超長時，應該慎重處理為好，過長時應該盡量設置溫度伸縮縫，宜較嚴格遵守規(guī)范規(guī)定的限值，理由如下：

(1)剪力墻結構剛度大，受溫差影響大，混凝土的收縮、徐變產生的變形大，墻體對樓面、屋面產生的約束也大；當結構發(fā)生收縮變形時比其他結構易出現(xiàn)裂縫。一些未超長的剪力墻結構產生墻體或樓面裂縫，其主要原因就在此。

(2)剪力墻結構多用于商品住房和公寓，使用狀況復雜，一旦私人購買的房子出現(xiàn)裂縫，雖然沒有安全問題，但處理起來問題多，難度大，社會影響大。

(3)混凝土結構受溫度或收縮徐變的影響與眾多因素有關；而體型龐大的剪力墻房屋往往形狀復雜，混凝土收縮大，約束應力積聚也大，施工工藝及管理也難控制，環(huán)境影響使用變化難于判斷，因此更難于解決混凝土收縮變形時，在受約束條件下引起拉應力而保證不出現(xiàn)裂縫。

(4)目前混凝土的收縮量不斷增大，已由80年代的一般收縮量300μ8上升到400μe以上，因此使混凝土用量大的剪力墻產生裂縫的因素在增大。

(5)目前隨著市場形勢的變化，大部分工程要趕工加班，質量難保證，為趕工混凝土中水泥用量普遍增大，使混凝土收縮量增大，加上由于混凝土強度的提高，使彈性模量增加將引起更大的約束拉應力產生，使結構出現(xiàn)裂縫的因素增多。

(6)普遍使用商品混凝土泵送施工，為了泵送，增大水泥用量，減少了中粗骨料含量和骨料粒徑，加上泵送混凝土配合比和施工送料時的不良因素影響等都加大了結構收縮量，增加產生裂縫的因素。

綜上所述，今后在處理超長結構時，特別是處理超長的剪力墻結構時要特別慎重；當發(fā)生實在由于建筑使用功能要求不允許超長建筑設永久縫時，建議采用對結構施加預應力的方法并結合采用設計構造措施、施工措施共同給予處理。