剪力墻結構設計需關注的幾個問題

趙 衛

[摘 要]在結構設計中,盡管現行規范給出了剪力墻結構設計的若干條款,但規范不可能面面俱到,文章就實際設計中遇到的一些問題及體會進行討論。

[關鍵詞]剪力墻 結構設計 抗震

一、剪力墻的特點

剪力墻剛度大,易滿足地震或風荷載作用下的結構尤其是高層結構的位移限制。在地震作用下,其變形小、破壞程度低,可以設計成延性抗震墻,大震時通過連梁和墻肢底部的塑性鉸范圍內的塑性變形耗散地震能量,在與其他結構共同工作時,能吸收大部分的能量,提高結構受力能力,降低對其他結構的抗震要求。在抗震設防要求較高的地區(8度及8度以上),其抗震優點更為突出。

二、剪力墻的布置

(一)抗震墻結構和部分框支抗震墻結構

剪力墻宜沿主軸方向或其他方向雙向布置;抗震設計的剪力墻結構應避免僅單向有墻的結構布置形式。剪力墻墻肢截面宜簡單、規則,剪力墻結構的側向剛度不宜過大。

較長的抗震墻宜開設洞口,將其分成長度較均勻的若干墻段,墻段之間宜采用弱連梁連接,每個獨立墻段的總高度與截面高度之比不應小于3,墻肢截面高度不宜大于8m,墻肢長度沿結構全高不宜有突變。剪力墻洞口宜上下對齊、成列布置,形成明確的墻肢和連梁。應避免使墻肢剛度相差懸殊的洞口設置。抗震等級為一、二、三級的剪力墻底部加強部位不宜采用錯洞墻,所有部位均不宜采用疊合錯洞墻。

(二)框架抗震墻結構

抗震墻應貫通房屋全高,且橫向與縱向的抗震墻應相連。抗震墻應設置在墻面不需要開大洞的位置。房屋較長時,剛度較大的縱向抗震墻不應設置在房屋的端開間。抗震墻洞口應上下對齊洞邊距端柱不應小于300mm。

三、剪力墻的設計

(一)剪力墻的厚度

抗震設計時,剪力墻厚度不應小于抗震規范的要求。目前在很多民用項目中,普遍存在由于使用功能需要而墻厚不滿足要求的情況。當墻厚不能滿足上述要求時,應驗算墻體的穩定。

(二)底部加強部位

抗震設計時,一般剪力墻結構底部加強部位的高度可取墻肢總高度的1/8和底部兩層二者的較大值,當剪力墻高度超過150m時,其底部加強部位的高度可取墻肢總高度的1/10;底部帶轉換層的高層建筑結構,其剪力墻底部加強部位的高度可取框支層加上框支層以上兩層的高度及墻肢總高度的1/8二者的較大值。

(三)剪力墻的設計原則

剪力墻的墻肢長度不大于墻厚的3倍時,應按照柱的要求進行設計,箍筋應全高加密。剪力墻開洞形成的連梁,當跨高比小于5時,按照《建筑抗震設計規范》及《高層建筑混凝土結構技術規程》中相關規定設計,當跨高比不小于5時,宜按框架梁進行設計。

應控制剪力墻平面外的彎矩。當剪力墻墻肢與其平面外方向的樓面梁相連時,應至少采取以下措施中的一個措施,以減小梁端部彎矩對墻的不利影響:(1)沿梁軸線方向設置與梁相連的剪力墻或墻肢,抵抗該墻肢平面外彎矩;(2)當上述不能滿足時,應在墻與梁相交處設置暗柱,暗柱寬度可取梁寬+2倍墻厚,并宜按計算確定配筋。此時,梁端可按簡支考慮;(3)剪力墻內設置型鋼。不宜將樓面梁支承在剪力墻之間的連梁上。一級和二級抗震墻,底部加強部位在重力荷載代表值作用下墻肢的軸壓比,一級(9度)時不宜超過0.4,一級(7度、8度)時不宜超過0.5,二級不宜超過0.6。

(四)剪力墻的配筋

剪力墻厚度大于140mm時,豎向和橫向分布鋼筋應雙排布置厚度在400mm-700mm之間時,宜采用三排配筋;厚度大于700mm時,則采用四排配筋,受力鋼筋可均勻分布成數排。一般剪力墻豎向和水平分布筋的配筋率,一、二、三、四級抗震設計和非抗震設計時均不應小于0.20%,分布筋間距均不應大于300mm,直徑均不應小于8mm。部分框支剪力墻結構,剪力墻底部加強部位墻體的豎向和水平分布筋的配筋率,抗震設計時均不應小于0.3%,非抗震設計時不應小于0.25%。抗震設計時鋼筋間距不應大于200mm,直徑不應小于8mm。房屋頂層剪力墻以及長矩形平面房屋的樓梯間和電梯間剪力墻、端開間的縱向剪力墻、端山墻的豎向和水平分布筋的配筋率不應小于0.25%,鋼筋間距不應大于200mm。

(五)連梁設計

連梁配筋應滿足一般框架梁的要求。抗震設計時,連梁箍筋應按照框架梁梁端加密區箍筋的構造要求采用,非抗震設計時,沿連梁全長的箍筋直徑不應小于6mm,間距不應大于150mm。頂層連梁縱向鋼筋伸入墻體的長度范圍內,應配置間距不大于150mm的構造箍筋,箍筋直徑應與該連梁的箍筋直徑相同。墻體水平分布鋼筋應作為連梁的腰筋在連梁范圍內拉通連續配置。當連梁截面高度大于700mm時,其兩側沿梁高范圍設置的縱向構造鋼筋腰筋的直徑不應小于10mm,間距不應大于200mm,對跨高比不大于2.5的連梁,梁兩側的縱向構造鋼筋腰筋的面積配筋率不應小于0.3%。剪力墻結構計算時,可考慮連梁剛度折減但折減系數不宜小于0.5,當連梁內力由風荷載控制時及跨高比不小于5的連梁其剛度不宜折減。

在剪力墻結構特別是高層剪力墻結構計算時,連梁對剪切變形非常敏感,在很多情況下計算時經常出現超筋現象,此時,可以采用以下方法進行調整:(1)減小連梁截面高度;(2)抗震設計的剪力墻中連梁彎矩及剪力可進行塑性調幅,以降低其剪力設計值;(3)當連梁破壞對承受豎向荷載無明顯影響時,可考慮在大震作用下該連梁不參與工作,按獨立墻肢進行第二次多遇地震作用下結構內力分析,墻肢應按兩次計算所得的較大內力進行配筋設計。

(六)邊緣構件設計

剪力墻邊緣構件分為約束邊緣構件和構造邊緣構件,兩種邊緣構件的設計方法不同,加強了應加強的部位,放松了可放松的部位,使剪力墻的設計更具合理性。剪力墻的約束邊緣構件包括暗柱、端柱和翼墻。約束邊緣構件沿墻肢方向的長度和箍筋配箍特征值應符合《高層建筑混凝土結構技術規程》和《建筑抗震設計規范》的要求。縱向鋼筋的配筋范圍不應小于規范規定的陰影面積,其縱向鋼筋最小截面面積,一、二級抗震設計時分別不小于陰影面積的1.2%和1.0%并分別不應小于6￠16和6￠14。約束邊緣構件中陰影部分約束鋼筋配置方法有兩種:(1)陰影部分的約束鋼筋以箍筋為主,箍筋的長邊不宜大于短邊的3倍,相鄰兩個箍筋宜互相搭接,搭接長度為1/3箍筋長邊的長度,其他鋼筋可用拉筋補齊,但拉筋端部應做135度彎鉤鉤住豎向與水平筋,彎鉤端部平直段長度不小于10d。(2)陰影部分的約束鋼筋也可采用箍筋與墻體水平筋共同工作的方法,即利用有可靠錨固的水平分布筋作為部分約束邊緣的箍筋,在豎向水平筋間隔內另增設上述方法一的相互搭接的箍筋,當利用墻體水平分布筋作為約束箍筋時,水平筋之間應增設拉筋,拉筋端部應做135度彎鉤鉤住豎向與水平筋,彎鉤端部平直段長度不小于10d。剪力墻的構造邊緣構件的縱向鋼筋應滿足受彎承載力要求,且不應小于規范規定的最小要求。通過對以上各條問題的了解和熟悉,即可基本掌握剪力墻的設計方法。

參考文獻

[1]唐少虎。論高層建筑剪力墻的結構設計分析[J]建材與裝飾,2008.6

[2]王和平。高層建筑剪力墻結構優化設計分析探討[J]四川建材,2008.5