關于剪力墻結構設計中的問題分析

武漢和創建筑工程設計有限公司

摘要：文中筆者根據多年工作經驗對剪力墻結構設計中的一些問題進行簡要分析。

關鍵詞：剪力墻；結構設計；問題

一、剪力墻設計概念

1）剪力墻高和截面高度尺寸較大但截面厚度較小，幾何特征像板，受力形態接近于柱，而與柱的區別主要是其截面高度與厚度的比值，當比值小于或等于3時宜按框架柱進行截面設計，當墻肢截面高度與厚度之比在 2～4時可視為異形柱，按雙向受壓構件設計，當墻肢截面高度與厚度之比在5～8時為短肢剪力墻，當墻肢截面高度與厚度之比大于8時為一般剪力墻。

2）剪力墻結構中，墻是一平面構件，它除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。

3）實際工程中剪力墻分為整體墻和聯肢墻、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剛度小得多，墻肢單獨作用顯著，連梁中部出現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。

二、剪力墻結構設計中的幾個問題

1、框架剪力墻中框架粱支座計算簡圖的簡定

一般在框剪結構體系中，粱與柱特別是與外柱的連接都為嵌固，而梁與墻的聯接往往視為鉸接，但實際繪制施工圖時，梁兩端無論是配筋、鋼筋的錨固往往都是按嵌固要求處理。當梁的線剛度小于層間墻的線剛度時或粱支承于兩墻體的相交處時，宜按嵌固支座考慮。當這樣考慮時，電算結果墻和梁端處的鋼筋用量可能較多，而梁跨中鋼筋偏小。所以實際配筋時，應使梁在墻上支座的配筋適當減少，以便能使粱在強地震時能出現塑性鉸，而梁跨中的配筋則適當增加。計算中還應注意梁支承在墻上時，梁下墻的有效寬度一般宜取6倍墻厚或6倍梁寬中之小者且不大于2m，當梁跨度較大時，粱端墻上宜設置暗柱暗粱。

2、短肢墻結構體系的計算

短肢墻結構應采用三維電算程序進行結構整體分析，豎向構件用開口薄壁桿模型或墻元模型。計算中當反映出的剛度不合適不均勻或者扭轉偏大時，應調整結構布置后重算，以取得最好效果后再繪制施工囤。構件設計中，應注意豎桿一般屬雙向壓彎桿，短肢墻一般都是在壓彎、剪復合狀況下受力，當肢長≤4倍墻厚時，則應按異形柱進行設計計算。應用TBSA分析剪力墻結構時，尚應注意當肢長小于4倍墻厚時，則應按異形柱進行設計計算。應用TBSA分析剪力墻結構時，尚應注意當肢長小于4倍墻厚時，電算輸出的墻配筋只是柱子單邊的配筋量，而當墻肢>4倍墻厚時，雖然是墻體的兩面配筋量，但只考慮了墻肢平面內力作用而忽略了平面外的受力影響，繪施工圖中均應適當考慮這些因素之影響。此外，電算分析中往往不易控制墻肢的軸壓比限值，但小墻肢的軸壓比都應控制在0.6以內。整體內力分析時，忽略了長度小于 0.2m的墻肢，具體設計中均需人工計算或復核。

3、剪力墻的布置

剪力墻的平面布置一般原則是均勻、分散、對稱、周邊。分散原則是要求剪力墻片數不要太少，而且每片剪力墻剛度不要太大，連續尺寸不要太長，使抗側力構件數量多一些，分散一些，每片剪力墻的彎曲剛度適中，在使用中不會因為個別墻的局部破壞而影響整體的抗側力性能，也不會使個別墻的受力太集中，負擔過重 而引起過早地被破壞，剛度過大的墻承擔的內力也大，相應的基礎處理難度增加，同時也考慮到剪力墻相距太遠，樓面剛度要求大，很難滿足要求，周邊的原則是考慮建筑物抵抗扭轉能力，便于保證剛度中心與平面中心相吻合；剪力墻布置在周 邊對稱位置，增加抵抗扭轉的內力臂，在不增加剪力墻面積的情況下，提高抗扭轉能力。剪力墻布置的位置應設在平面形狀變化處，平面形狀變化處；角隅、端角、凹角部位往往是應力集中處，設置剪力墻給予加強是很有必要的，在高層建筑的 樓梯間，電梯間，管道井處，樓面開洞嚴重地削弱樓板剛度，對保證框架與剪力墻協同工作極為不利。因此，在工程設計中用鋼筋混凝土剪力墻來加強這些薄弱端 部，如樓梯間，電梯井道處，豎向管道井等是十分有效的。

4、抗震設計中框架和剪力墻的連接方式

在框架剪力墻結構設計中，連梁的強弱直接決定著整體結構的受力性能，關系到結構的抗震性能高低。在通常情況下，框架剪力墻的連接方式有以下兩種方式：

1）鉸接方式

在采用鉸接方式時，要考慮到連梁的約束作用，并通過樓板的強度保證框架與剪力墻的協調的性能。在建筑工程實際施工過程中，經常會在樓板開設洞口，就會明顯削弱二者的協同的性能，剪力墻的約束能力就會減弱，也會減小整體結構的剛度，不符合平面布置應減少扭轉的要求，還有可能使結構中最大層間的位移角和頂層位移角增加，導致剪力墻所承擔的彎矩也會增加，不能有效的保證抗震設計多道防線的要求，所以，在施工過程中，一般不采用鉸接的方式。

2）剛接方式

剛接方式主要通過連梁的剛度來保證框架和剪力墻的共同協調，連梁承擔了比較大的剪力和彎矩，具有明顯的約束作用，能夠有效保證整體結構的協同工作的性能。在水平荷載的作用下，很好的控制建筑結構的側向位移和扭轉力。在遇到低于建筑設防烈度的地震時，保證連梁不受到破壞，不會應先管道整體結構的剛度，仍然處在彈性階段形成抗震的第一道放線，有效對整體的主體結構起到保護作用。

三、剪力墻構造設計應注意的問題

1）對于剪力墻結構和部分框支剪力墻結構，若內縱墻很長，且連梁的跨高比小，剛度大，則墻的整體性好，在水平地震作用下，墻的剪切變形較大，墻肢的破壞高度可能超過底部加強部位的高度，因此將較長的剪力墻分成若干段，使墻的高寬與長度之比不少于2，墻段由墻肢和連梁組成。其目的是設置剛度和承載力較小的連梁（跨高比不小6的連粱），這樣防止在地震作用下，先破壞連梁，使墻段成為抗側力單元，且墻段以彎曲變形為主。2）剪力墻和部分框支剪力墻結構的墻肢截面長度沿高度不宜有太大出入和變化，一、二級抗震墻的底部加強區以及墻體洞口較大時，最好不要有錯洞布置的剪力墻。3）框支層的設計。部分框支的剪力墻結構在地震作用時有可能將變形集中在框支層上，這樣就應該首先加強框支層，使其牢固。一般地規范規定是，框支層的側向剛度不應小于上一層非框支層的側向剛度的 50%。框支墻的水平地震剪力主要由落地剪力墻承擔，所以要保證樓板有足夠大的平面內剛度傳遞水平力。落地墻最大水平間距不宜大于 24m。4）墻的豎向鋼筋的設計。在框架剪力墻中，特別是高層的工程設計里面，豎向鋼筋主要起到抗彎作用。高層建筑與底層不同，在目前一些多層低高層剪力墻中電算記過多為構造配筋，但配筋時所取的配筋率有的人往往扣除了約束邊緣構件或構造邊緣構件中的鋼筋，但是高層建筑中的剪力墻設計不能這么做，這一點必須注意。

四、高層住宅剪力墻結構經濟分析

用鋼量的大小和建筑平面關系很大，建筑平面復雜，往往導致剪力墻形狀復雜。剪力墻設置原則：1）少布置短肢墻：短肢墻的構造配筋率很大；計算配筋一般也較長肢墻大2）墻的形狀要簡單，既以一字長墻、“L ”和“T”形長墻為主。形狀復雜且墻肢短，暗柱就多。剪力墻用鋼量與其單位長度內的暗柱（長度）所占比例成正比。3）合理控制層間位移角：即降低地震效益，控制在1/1100左右。不必刻意追求此指標，關鍵是合理的結構布置。

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