高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

關(guān)鍵詞：高層建筑；剪力墻結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計

引言

隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的加快，城市規(guī)模不斷增大，人口不斷增加，使得城市住房建設(shè)用地高度緊張，新建高層建筑是城市發(fā)展的必然趨勢。剪力墻結(jié)構(gòu)由于其抗側(cè)剛度大、側(cè)移小和抗震性能好等特點，剪力墻結(jié)構(gòu)被廣泛用于現(xiàn)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(guān)的規(guī)范沒有明確的規(guī)定，幾乎都是由工程師參照傳統(tǒng)模式和個人經(jīng)驗來設(shè)計的。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中會存在保守現(xiàn)象或設(shè)計不合理等情況，于是造成一定的浪費或結(jié)構(gòu)安全性不夠等情況。

1.剪力墻的結(jié)構(gòu)特點

剪力墻結(jié)構(gòu)是指縱橫向的主要承重結(jié)構(gòu)全部為結(jié)構(gòu)墻的結(jié)構(gòu)。剪力墻的結(jié)構(gòu)特點主要有4點：①承載能力和抗側(cè)力能力好。該結(jié)構(gòu)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(cè)向硬度。合理布置剪力墻使得該結(jié)構(gòu)體系具有適宜的側(cè)向硬度，水平荷載作用下側(cè)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(tǒng)，建筑室內(nèi)空間比梁柱結(jié)構(gòu)簡潔和寬敞，不存在露梁和露柱現(xiàn)象，外形美觀，便于室內(nèi)布置；④該結(jié)構(gòu)體系施工較麻煩，且造價也相對較高。

2.剪力墻的結(jié)構(gòu)計算要點

2.1剪重比

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

其公式為：VEki>λ∑Gj。

2.2剛重比

剛重比是結(jié)構(gòu)剛度與重力荷載之比。它是控制結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的重要因素，也是影響重力二階效應(yīng)的主要參數(shù)。該值如果不滿足要求，在風(fēng)荷載或水平地震作用下，重力荷載產(chǎn)生的二階效應(yīng)可能過大，則可能引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)倒塌，結(jié)構(gòu)計算時應(yīng)按《高規(guī)》5.4.1-5.4.4相關(guān)規(guī)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(jié)構(gòu)體系不滿足結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性要求。

2.3層間剛度比

層間剛度比是衡量結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的重要指標。正常設(shè)計的高層建筑下部樓層側(cè)向剛度宜大于上部樓層的側(cè)向剛度，否則變形會集中于剛度小的下部樓層，從而形成結(jié)構(gòu)軟弱層，所以應(yīng)對層間剛度比值進行限制。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》給出了抗震設(shè)計時，不同結(jié)構(gòu)層間剛度比的計算公式及限值。對于剪力墻結(jié)構(gòu)，其公式為：，且本層與相鄰上次的側(cè)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(jié)構(gòu)底部嵌固層，該比值不宜小于1.5。當結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件轉(zhuǎn)換時，還必須考慮轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比。當轉(zhuǎn)換層設(shè)置在1、2層，抗震設(shè)計時，其等效剪切剛度比宜接近于1，且不應(yīng)小于0.5，；當轉(zhuǎn)換層設(shè)置在第2層以上，抗震設(shè)計時，其等效側(cè)向剛度比宜接近于1，且不應(yīng)小于0.8，。

3.剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點

高層建筑最主要的受力構(gòu)件包括剪力墻、框架柱、梁和樓板。而剪力墻作為豎向構(gòu)件是形成結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度的最主要構(gòu)件，它在建筑中承擔(dān)著整個結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)全部由平面剪力墻構(gòu)件組成時，即形成所謂的剪力墻體系。剪力墻體系屬剛性結(jié)構(gòu)，作為一種良好的結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)從以下幾個方面考慮：

3.1剪力墻布置

剪力墻布置應(yīng)均勻合理，使整個建筑物的質(zhì)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(cè)剛度接近。在抗震設(shè)計時，應(yīng)避免僅單向有墻的結(jié)構(gòu)布置。剪力墻在豎直方向要從下到上做連續(xù)的布置，在豎直方向的剛度要均勻，避免發(fā)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(zhuǎn)角處墻肢應(yīng)盡可能長，因轉(zhuǎn)角處應(yīng)力容易集中，有條件兩個方向均應(yīng)布置成長墻。

3.2剪力墻厚度確定

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中對剪力墻的截面尺寸具體規(guī)定如下：按一、二級抗震等級設(shè)計的剪力墻的截面厚度，底部加強部位不應(yīng)小于200mm，其他部位不應(yīng)小于160mm；一字型獨立剪力墻底部加強部位不應(yīng)小于220mm，其他部位不應(yīng)小于180mm。按三、四級抗震等級設(shè)計的剪力墻的截面厚度，不應(yīng)小于160mm，一字型獨立剪力墻的底部加強部位尚不應(yīng)小于180mm。非抗震設(shè)計時不應(yīng)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(cè)，豎向鋼筋放在內(nèi)側(cè)。配筋滿足計算及規(guī)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(chǎn)生的側(cè)壓力控制，而由于簡化計算經(jīng)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(nèi)側(cè)，豎向鋼筋放在外側(cè)。

3.4剪力墻連梁超筋的處理

在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中，連梁超筋作為常見現(xiàn)象實質(zhì)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(jié)構(gòu)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(xiàn)象則多出現(xiàn)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(fā)生連梁超筋現(xiàn)象。

剪力墻結(jié)構(gòu)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(guī)》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(shè)計時剪力墻連梁彎矩可進行塑性調(diào)幅，并取彎矩調(diào)幅后相應(yīng)的剪力設(shè)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(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，墻肢應(yīng)按兩次計算所得的較大內(nèi)力進行配筋計算。

3.5設(shè)置邊緣構(gòu)件

剪力墻兩端和洞口兩側(cè)必須設(shè)置邊緣構(gòu)件，并應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范要求。在進行邊緣構(gòu)件配筋計算時，需特別注意每段剪力墻的軸圧比，在按規(guī)定需設(shè)置約束邊緣構(gòu)件的層數(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)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(gòu)造邊緣構(gòu)件。約束邊緣構(gòu)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(gòu)件沿墻肢的長度和配箍率可能不同。另外，規(guī)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(guī)定，在設(shè)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(shè)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(jù)其軸圧比，查相應(yīng)的配箍特征值進行配筋計算。

4.結(jié)語

由于剪力墻結(jié)構(gòu)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(shè)計人員必須充分理解新規(guī)范編制原理，將新高規(guī)和新抗震規(guī)范和工程實際情況緊密結(jié)合，不斷提高工程設(shè)計水平。