高層剪力墻結構設計分析

王曉莉

(太原市建筑設計研究院，山西太原 030002)

近年來，隨著高層建筑的不斷矗立，其剪力墻結構設計的合理性和安全性被人們所重視，理論上的剪力墻結構設計和圖紙設計與實際建設過程中經常發生一些沖突，造成問題的原因通常是施工中構造處理不同，造成剪力墻的墻截面和配筋產生了較大的差別，所以針對高層剪力墻結構設計的常見問題，本文對高層建筑剪力墻的邊緣構造、高層建筑剪力墻結構厚度與配筋問題及高層建筑剪力墻結構超長問題三個方面進行探討，希望能夠合理的解決高層剪力墻結構設計中的一些問題。

1 高層建筑剪力墻布置

1.1 高層建筑剪力墻布置原則

高層建筑剪力墻的布置是沿著主軸方向或者其他某一方向進行雙向布置，在同一平面內剪力墻的布置要保持均衡。高層建筑剪力墻的高與寬通常尺寸都比較大，厚度又較薄，在墻體受力方面受到水平剪力、彎矩、豎向壓力。高層建筑的剪力墻需要具有抗震、抗風載的能力，所以其結構需要滿足非彈性變形和避免脆性剪力斷裂，剪力墻的設計類型可以盡量采用延性彎曲型。

1.2 剪力墻結構類別

剪力墻結構類別有整體墻和聯肢墻。根據不同類型墻體的特點、受力特征、墻體內力分布進行配筋和構造。整體墻包括山墻、魚骨式結構片墻、小開洞墻;聯肢墻是由梁連接的剪力墻。

高層建筑的剪力墻結構體系如圖1所示。

圖1 高層建筑的剪力墻結構體系

將建筑的墻體作為豎向承重和抗側力結構體系的被叫做剪力墻結構，在剪力墻上可以進行開洞設計，當洞口越大時，越接近剪力墻的框架。

剪力墻結構的優點與缺點分別是:

1)剪力墻結構優點:剪力墻的承載能力較強，側向的剛度大、變形小，剪力墻墻面平整適用于單層高度較小的建筑，例如:住宅、賓館等。

2)剪力墻結構缺點:剪力墻結構自身重量較大，高層建筑平面布置的局限性有限，難以獲得更大的建筑空間。

剪力墻可以分為框支剪力墻結構與框架剪力墻結構，框支剪力墻結構是將剪力墻結構的建筑底層做成框架結構，適用于做成轉換層高層建筑。框架剪力墻結構可以將框架與剪力墻一同作為承載體，可接收來自豎向與水平方向的荷載，其中框架主要用來承擔來自豎向的荷載，剪力墻主要用來承載來自橫向的剪切力。

1.3 剪力墻結構設計計算

剪力墻結構設計計算是對剪力墻的正截面承載力和剪力墻斜截面受剪力進行驗算。驗算時需要對剪力墻的整體結構進行分析，根據剪力墻水平受力與豎向受力求得剪力墻的內力。剪力墻結構計算的原則是:

1)要與施工圖一致;2)剪力墻荷載取值準確;3)地下室作為指定層數;4)整體計算參數與內力配筋調整參數應與整體分析程序相對應;5)地下室人防、樓梯、地下室側壁、頂板、水池壁板、擋土墻、車道板、雨篷等抗扭構件，異型板、立面小構件等的補充計算，盡可能采用其他結構軟件的計算工具計算，無相關工具的采用手算。

1.4 剪力墻結構設計規范

高層建筑剪力墻的墻體厚度規定大于160 mm，底部加強厚度大于200 mm。采用豎向鋼筋進行墻體邊緣配筋，確定剪力墻的穩定性，橫向配筋提高剪力墻的抗震能力。

2 剪力墻結構的有關規定

1)現澆鋼筋混凝土剪力墻結構的最大高度及抗震等級如表1所示。

a.墻肢截面高度與厚度之比為5～8的剪力墻稱為短肢剪力墻，括號內數字用于短肢剪力墻較多的剪力墻結構;

表1 現澆鋼筋混凝土剪力墻結構的最大高度及抗震等級

b.建筑場地為Ⅰ類時，除6度外可按表內降低1度所對應的抗震等級采取抗震構造措施，但相應的計算要求不應降低;

c.接近或等于高度分界時，應允許結合房屋不規則程度及場地，地基條件適當確定抗震等級;

d.錯層結構，錯層處框架柱及錯層處平面外受力的剪力墻的抗震等級應提高一級采用。

2)剪力墻軸壓比限值。

一級～三級抗震等級剪力墻底部加強部位墻肢最大軸壓比限值:軸壓比，如表2所示。

表2 剪力墻底部加強部位墻肢最大軸壓比限值

其中，N為墻肢重力荷載代表值作用下的軸壓力設計值(不與地震作用結合);A為墻肢的全截面面積;fc為混凝土軸心抗壓強度設計值;hw為墻肢截面的高度;bw為墻肢截面的寬度。

3)剪力墻豎向橫向分布鋼筋的最小配筋率見表3。

短肢剪力墻全部豎向鋼筋的最小配筋率見表4。

3 高層建筑剪力墻結構厚度確定與配筋處理

1)建筑規范規定高層建筑的剪力墻結構的地震等級8度時，剪力墻抗震等級為2級以上，這就要求剪力墻墻底部分墻體厚度在200 mm以上，并且要求墻底加強部分厚度大于樓層高度的1/16。

剪力墻厚度確定:根據軸壓比限值估算剪力墻厚度，設軸壓比r，墻肢承載樓面荷載面積Aq，估算厚度為

其中，Q為單位面積層荷載重量標準值，Q=13.0+7(n－15)/20，n為樓層層數。

高層建筑剪力墻最小厚度取值如表5所示。

表3 剪力墻豎向橫向分布鋼筋的最小配筋率 %

表4 短肢剪力墻全部豎向鋼筋的最小配筋率 %

表5 高層建筑剪力墻最小厚度取值 mm

剪力墻墻肢穩定要求滿足下面的方程式:

其中，q為墻頂組合的等效豎向均布荷載值;Ec為剪力墻混凝土彈性模量;t為剪力墻墻肢截面厚度;t0為剪力墻墻肢計算長度。

剪力墻構造邊緣構件配筋如表6所示。

表6 剪力墻構造邊緣構件配筋

2)高層建筑剪力墻墻體配筋率規定應在0.25%以上，剪力墻底部加強部分的配筋率規定在0.3%以上。

高層剪力墻的水平配筋，是對墻體加入水平分布的鋼筋，目的是能夠提高剪力墻的抗脆性剪切破壞和抗溫度應力破壞。對于高層建筑的大面積剪力墻的較大面積墻體需要適當的增加配筋，尤其高層建筑的連梁與溫度變化敏感位置，配筋的添加要保證剪力墻結構的穩定性。

高層剪力墻的豎向配筋，是對墻體抗彎能力的加強。豎向配筋可以對剪力墻邊緣進行適當增加，鋼筋之間的間距控制在300 mm以下，并且豎向配筋應小于橫向配筋，這樣剪力墻的抗剪能力就大于抗彎能力，有效的解決了抗震問題。

4 高層建筑大面超長剪力墻結構處理

目前許多高層建筑中的現澆混凝土剪力墻結構的伸縮縫已經超過了規范設定，并且在遇到超長結構的情況下設計者設計的伸縮縫間距越來越大，這個問題對于設計者來說應該慎重，如果遇到超長結構的情況最好設置溫度伸縮縫，盡可能的依據規范設定限值進行設計。這是因為:1)剪力墻結構超長，當剪力墻受溫度變化較大時，混凝土剪力墻收縮、剪力墻容易發生變形，當剪力墻結構發生收縮變形時容易造成墻體結構出現裂縫。2)高層建筑的剪力墻體型龐大，受到結構變形和裂縫的因素也很多，如果遇到剪力墻結構超長情況時，需要設置溫度伸縮縫才能夠降低墻體大面積變形和開裂的現象發生。3)隨著高層建筑使用的混凝土收縮量不斷加大(由原有的300 με增加到400 με以上)，剪力墻結構超長導致產生裂縫的因素也增多。4)高層建筑泵送混凝土時，增加了水泥的用量，從而導致剪力墻結構的收縮量加大，這也加劇了產生裂縫的必然性。

5 結語

目前在高層建筑中剪力墻結構設計呈多樣化的趨勢，掌握合理的、安全的設計方法是需要我們靈活運用概念設計再結合實際需要把握剪力墻結構設計的整體設計效果，做到既體現設計的經濟性又保證了設計的安全性。

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