高層建筑剪力墻結構設計

摘要：剪力墻結構作為高層建筑中的主要結構形式，被廣泛運用于現代高層建筑。剪力墻結構具有剪切變形相對較大、平面外較薄弱的不利性能。

關鍵詞：高層建筑；剪力墻結構；結構設計

引言

隨著我國國民經濟的快速發展和城市化進程的加快，城市規模不斷增大，人口不斷增加，使得城市住房建設用地高度緊張，新建高層建筑是城市發展的必然趨勢。剪力墻結構由于其抗側剛度大、側移小和抗震性能好等特點，剪力墻結構被廣泛用于現代高層建筑中，尤其是高層住宅。但對剪力墻位置的具體布置、截面形狀和尺寸等是否合理，相關的規范沒有明確的規定，幾乎都是由工程師參照傳統模式和個人經驗來設計的。因此，在結構設計過程中會存在保守現象或設計不合理等情況，于是造成一定的浪費或結構安全性不夠等情況。

1.剪力墻的結構特點

剪力墻結構是指縱橫向的主要承重結構全部為結構墻的結構。剪力墻的結構特點主要有4點：①承載能力和抗側力能力好。該結構體系能夠很好地承受豎向荷載和抵抗水平荷載，常用于高層住宅建筑；②具有適宜的側向硬度。合理布置剪力墻使得該結構體系具有適宜的側向硬度，水平荷載作用下側移相對較小，整體抗震性能好；③建筑空間利用率高。由于剪力墻與樓板組成受力系統，建筑室內空間比梁柱結構簡潔和寬敞，不存在露梁和露柱現象，外形美觀，便于室內布置；④該結構體系施工較麻煩，且造價也相對較高。

2.剪力墻的結構計算要點

2.1剪重比

剪重比是抗震設計中非常重要的參數。規范之所以規定剪重比，主要是因為在長周期段，地震影響系數下降較快，針對基本周期大于3S的結構，計算出來的水平地震作用下的結構效應可能比較小。而對于長周期結構，地震動態作用下的地面運動速度和位移可能對結構具有更大的破壞作用，但采用振型分解反應譜法時無法對此作出準確的計算。因此，出于安全考慮，規范規定了不同設防烈度下的樓層最小地震剪力系數（即剪重比）），該值如果不滿足要求，則說明結構有可能出現比較明顯的薄弱部位，必須進行調整。

其公式為：VEki>λ∑Gj。

2.2剛重比

剛重比是結構剛度與重力荷載之比。它是控制結構整體穩定性的重要因素，也是影響重力二階效應的主要參數。該值如果不滿足要求，在風荷載或水平地震作用下，重力荷載產生的二階效應可能過大，則可能引起結構失穩倒塌，結構計算時應按《高規》5.4.1-5.4.4相關規定作每層剛重比驗算。按EJd/GH2計算，比值≥2.7，則不需要作重力二階驗算，2.7≥比值≥1.4，則需要作重力二階驗算，如比值小于1.4，則說明結構體系不滿足結構整體穩定性要求。

2.3層間剛度比

層間剛度比是衡量結構豎向不規則的重要指標。正常設計的高層建筑下部樓層側向剛度宜大于上部樓層的側向剛度，否則變形會集中于剛度小的下部樓層，從而形成結構軟弱層，所以應對層間剛度比值進行限制。《高層建筑混凝土結構技術規程》給出了抗震設計時，不同結構層間剛度比的計算公式及限值。對于剪力墻結構，其公式為：，且本層與相鄰上次的側向剛度比值不宜小于0.9，當本層層高大于相鄰上層層高的1.5倍時，該比值不宜小于1.1；對結構底部嵌固層，該比值不宜小于1.5。當結構豎向構件轉換時，還必須考慮轉換層上部與下部結構的等效側向剛度比。當轉換層設置在1、2層，抗震設計時，其等效剪切剛度比宜接近于1，且不應小于0.5，；當轉換層設置在第2層以上，抗震設計時，其等效側向剛度比宜接近于1，且不應小于0.8，。

3.剪力墻結構的設計要點

高層建筑最主要的受力構件包括剪力墻、框架柱、梁和樓板。而剪力墻作為豎向構件是形成結構抗側力剛度的最主要構件，它在建筑中承擔著整個結構的豎向荷載和絕大部分水平荷載。當高層建筑的受力主體結構全部由平面剪力墻構件組成時，即形成所謂的剪力墻體系。剪力墻體系屬剛性結構，作為一種良好的結構體系，其位移曲線呈彎曲型，它的強度、剛度都較高且具備一定延展性，傳力直接均勻，有較好的整體性和較強的抗倒塌能力。其在高層建筑中的應用范圍大于單純框架或者框架-剪力墻混合體系。剪力墻建筑結構的設計應從以下幾個方面考慮：

3.1剪力墻布置

剪力墻布置應均勻合理，使整個建筑物的質心和剛心趨于重合，且兩個方向的剛重比接近，以使其具有較好的空間工作性能，并且使兩個受力方向的抗側剛度接近。在抗震設計時，應避免僅單向有墻的結構布置。剪力墻在豎直方向要從下到上做連續的布置，在豎直方向的剛度要均勻，避免發生剛度的突變情況。剪力墻的門窗或者洞口要形成明確的墻肢和連梁。轉角處墻肢應盡可能長，因轉角處應力容易集中，有條件兩個方向均應布置成長墻。

3.2剪力墻厚度確定

《高層建筑混凝土結構技術規程》中對剪力墻的截面尺寸具體規定如下：按一、二級抗震等級設計的剪力墻的截面厚度，底部加強部位不應小于200mm，其他部位不應小于160mm；一字型獨立剪力墻底部加強部位不應小于220mm，其他部位不應小于180mm。按三、四級抗震等級設計的剪力墻的截面厚度，不應小于160mm，一字型獨立剪力墻的底部加強部位尚不應小于180mm。非抗震設計時不應小于160mm。剪力墻井筒中，分隔電梯井或管道井的墻肢截面厚度可適當減小，但不宜小于160mm。

3.3剪力墻墻體配筋

一般要求水平鋼筋放在外側，豎向鋼筋放在內側。配筋滿足計算及規范建議的最小配筋率即可，但地下部分墻體配筋則另當別論。因為地下部分墻體配筋大多由水壓力、土壓力產生的側壓力控制，而由于簡化計算經常由豎向筋控制，此種情況下為增大計算墻體有效高度，可將地下部分墻體的水平筋放在內側，豎向鋼筋放在外側。

3.4剪力墻連梁超筋的處理

在剪力墻結構設計中，連梁超筋作為常見現象實質上是剪力不滿足剪壓比要求。連梁最易超筋的地方，一般位于剪力墻結構中總高度1/3左右的樓層，比如15層的房子便是在5層。平面中當墻段較長時，超筋現象則多出現在其中部的連梁。尤其是墻段中墻肢截面高度大小相對懸殊時，容易在墻肢變化處發生連梁超筋現象。

剪力墻結構中連梁對剪切變形非常敏感，對于如何處理剪力墻連梁不滿足要求的情況，《高規》中提出了如下幾種解決方案：①減小連梁的截面高度，或采取其它減小連梁剛度的措施。②抗震設計時剪力墻連梁彎矩可進行塑性調幅，并取彎矩調幅后相應的剪力設計值進行校核；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計算。

3.5設置邊緣構件

剪力墻兩端和洞口兩側必須設置邊緣構件，并應符合相關規范要求。在進行邊緣構件配筋計算時，需特別注意每段剪力墻的軸圧比，在按規定需設置約束邊緣構件的層數范圍內，根據剪力墻底部墻肢的軸圧比大小進行判斷，也有可能存在著構造邊緣構件。約束邊緣構件沿墻肢的長度以及配箍特征值都與剪力墻的軸圧比緊密相連，軸圧比不同，其邊緣構件沿墻肢的長度和配箍率可能不同。另外，規范中對短肢剪力墻的軸圧比和豎向鋼筋配筋率特別做出了規定，在設計中能不采用短肢剪力墻就不采用，如果受實際條件限制必須要設短肢剪力墻時，在配筋計算中特別注意短肢剪力墻的軸圧比，并根據其軸圧比，查相應的配箍特征值進行配筋計算。

4.結語

由于剪力墻結構簡潔、寬敞，使用功能好，為住戶的自行改造增大了靈活性，加大了使用面積，在高層住宅中的運用將會越來越廣泛。因此，工程設計人員必須充分理解新規范編制原理，將新高規和新抗震規范和工程實際情況緊密結合，不斷提高工程設計水平。