高層建筑剪力墻結構設計的幾點體會

劉莉

摘要：本文通過對高層建筑剪力墻結構設計中普遍存在的一些問題的概述，以及對這些問題的處理，反映概念設計的重要性。結構設計只有在方案階段主動與建筑專業合作，用自身擁有的結構受力，變形的整體概念去構思結構方案。通過概念來確定結構設計方案的可行性。這樣，在施工圖設計階段就不會引起較大的變更和反復，從而提高了設計效率。

關鍵詞：剪力墻高厚比位移比和周期比質心和剛心墻體穩定性

短肢剪力墻 地下室外墻

隨著社會經濟的發展和國家關于土地方面政策的下達，提高建筑容積率、節約土地是擺在我們面前的主要問題。所以高層民用建筑越來越受到人們的重視，并已得到普遍應用。這使得我們設計人員都有機會參與高層建筑的設計。高層建筑不僅房屋高度越來越高，建筑功能越來越復雜，而且立面造型也越來越要求完美。現在的建筑行業幾乎都存在一個問題，只要方案一確定，向開發商提交施工圖的時間已接近后期. 最終結構工程師怎樣才能更快更好的完成結構設計呢？

眾所周知，結構設計只有在方案階段主動與建筑專業合作，用自身擁有的結構受力，變形的整體概念去構思結構方案。通過概念來確定結構設計方案的可行性。這樣，在施工圖設計階段就不會引起較大的變更和反復，從而提高設計效率。

因為剪力墻在建筑上有布置靈活，室內無結構突出棱角，便于裝修等優點。結構上有剛度大，在水平荷載作用下，側位移少，能夠抵抗較多的水平力等優點，因此在高層建筑結構中廣泛被采用。

高層建筑剪力墻結構初步設計時總會遇到下面一些問題：位移比，周期比不滿足規范要求；剪力墻之間連梁容易超筋，連梁截面高度加大更超筋；第一，第二振型出現結構扭轉超標。這就需要結構工程師調整結構方案，建立合理計算模型，使得上述問題得到完美解決，并滿足規范要求。

高層建筑剪力墻結構設計中，首先方案應合理布置，結構工程師應同項目建筑師共同分析建筑圖，找出計算中可能存在的薄弱部位，扭轉部位等。抓住主要矛盾，注意關鍵幾步，那么在后來的模型計算或施工圖審查中較容易過關。現把個人設計中的幾點體會作簡單總結，和設計同行們交流探討。

1. 剪力墻布置原則。剪力墻布置要分散,雙向,對稱及沿建筑物周邊等，以減少結構扭轉效應。剪力墻截面形式一般采用L形,T形，十字形，應避免一字形截面。當房屋縱向長度超出規范限值時，剪力墻不宜集中布置在房屋兩端。否則應在平面中適當部位設置溫度縫或施工后澆帶以減少混凝土硬化過程中的收縮應力影響。結構盡量布置一般剪力墻（墻肢截面高厚比大于8），局部布置短肢剪力墻（截面高度不大于300,墻肢截面高厚比在4~8之間）。當墻肢截面高厚比不大于4時，宜按框架柱設計,見《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010第7.1.7條。

2. 由于短肢剪力墻受力不利，規范要求較嚴且明確規定不應全部采用。結構還應布置一定數量的一般剪力墻, 見《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010第7.1.8條。當結構存在部分短肢剪力墻時，應在結構計算后看結果顯示：1.底層短肢剪力墻所承擔的地震傾覆力矩不宜超過結構總地震傾覆力矩的50%。2.底層短肢剪力墻所承擔的地震傾覆力矩與結構總地震傾覆力矩的比值在30%~50%之間，按短肢剪力墻結構處理，從嚴采取措施，并滿足規范關于短肢剪力墻的各項要求。2.底層短肢剪力墻所承擔的地震傾覆力矩與結構總地震傾覆力矩的比值小于30%時，為一般剪力墻結構。

3. 剪力墻厚度。剪力墻厚度除一方面需滿足建筑功能及節能要求，結構滿足承載力，穩定性要求外，還需遵守相關規范的規定。規范有些條文看似簡單，但真正實施卻容易疏忽。《建筑抗震設計規范》GB50011-2010第6.4.1條明確規定剪力墻厚度按層高或無支長度的比例取值。

a. 抗震墻的厚度，一，二級不應小于160mm且不宜小于層高或無支長度的1/20，三，四級不應小于140mm且不宜小于層高或無支長度的1/25；無端柱或翼墻時，一，二級不宜小于層高或無支長度的1/16，三，四級不宜小于層高或無支長度的1/20；

b. 底部加強部位的墻厚，一，二級不應小于200mm且不宜小于層高或無支長度的1/16，三，四級不應小于160mm且不宜小于層高或無支長度的1/20；無端柱或翼墻時，一，二級不宜小于層高或無支長度的1/12，三，四級不宜小于層高或無支長度的1/16；

一般上部結構剪力墻厚度都注意按規范規定取值，卻容易忽略地下室墻體厚度。結構建模中地下室部分一般是從上部一層復制。結構試算后，計算結果無異常。若此時地下室層高較大時，就會隱藏隱患。地下室外墻由于承受周邊側壓力，墻體厚度一般取值較大。不會出現墻體厚度不滿足規范要求。那么地下室內墻墻體厚度不滿足規范規定問題，就會在校核階段或施工圖審查時暴露。《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010第7.2.1條規定，當墻體厚度不滿足要求時，應按《高層建筑混凝土結構技術規程》附錄D計算墻體的穩定。若墻體的穩定不足，結構施工圖紙必然返工。

4. 剪力墻平面外樓面梁錨固。剪力墻在其平面內剛度及承載力很大，但平面外剛度及承載力卻相對較小。當剪力墻與平面外的樓面梁連接時，會引起剪力墻平面外的彎矩，而一般情況并不驗算平面外剛度及承載力。因此，當剪力墻平面外連接有樓面梁時，為了減少樓面梁端部彎矩對剪力墻的不利影響，《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010第7.1.6條采取如下措施。

a. 沿樓面梁軸線方向設置與其相連的剪力墻。

b. 當不能設置與樓面梁軸線方向相連的剪力墻時，宜在墻與梁相交處設置扶壁柱。扶壁柱宜按計算確定截面及配筋。

c. 當不能設置扶壁柱時，應在墻與梁相交處設置暗柱，并宜按計算確定配筋。

d. 必要時，剪力墻內可設置型鋼。

e. 樓面梁水平錨固長度不足時，將樓面梁伸出墻面形成梁頭，梁縱筋伸入梁頭后彎折錨固。

對于以上措施，如果建筑平面布置允許，我們就按其中較合適的一項處理即可。但大多數情況以上措施不能執行。例如沿樓面梁軸線方向設置與其相連的剪力墻或扶壁柱時，作為剪力墻翼緣或端柱應滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010第7.2.15條表注第2條要求：翼墻長度小于其厚度3倍或端柱截面邊長小于墻厚的2倍時，視為無翼墻或無端柱。

剪力墻與平面外的樓面梁連接部位一般情況下出現在下面部位：外墻轉角處，分戶墻處窗洞處，采光井處及建筑立面要求造型處等空間較小的位置處。如果按剪力墻翼緣或端柱取值規定，建筑平立面就會受到影響。碰到這種情況，個人一般處理如下：

a. 剪力墻厚度不滿足樓面梁縱筋的錨固長度時。按鋼筋受拉承載力設計值相等的原則將大直徑縱筋換算成小直徑，以減少錨固長度。

b. 剪力墻平面外增加短墻，以增加樓面梁縱筋的錨固長度。短墻可在施工圖中直接編輯。也可輸入模型中參與計算，不過在計算過程中會提示短墻警告，根據SATWE使用說明書，可以不作理會。

c. 采取機械錨固，在梁端增加短筋或鋼板與縱筋焊接。

關于《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010第7.1.6第c點設置暗柱，結構模型通過PKPM程序計算后，混凝土剪力墻生成施工圖時，如果梁端剪力較大時，在墻與梁相交處會自動設置暗柱，否則按以上幾點處理即可。

5. 扭轉振型位置不合理。由于開發商對建筑平面功能布置要求完美，及建筑立面造型的需要。建筑物很難做到完全對稱。這樣整棟建筑物質心和剛心位置必然存在差異，在地震作用或風荷載作用下產生結構扭轉。如果結構方案布置不合理，扭轉振型位置會出現異常。

一般結構方案布置合理，扭轉振型會出現在第三振型以后。《抗震設計規范》GB50011-2010第3.5.3條也要求“結構在兩個主軸方向的動力特性（周期和位移）宜相近”。但是結構方案布置后在最初的試算時扭轉振型往往會出現在第二振型，甚至在第一振型。根據這幾年的設計經驗，扭轉振型如果出現在第一，二振型時，通過人為調整，提高抗扭剛度。利用結構周期與剛度反比關系，提高需要減少周期方向的剛度或減少需要增大周期方向的剛度，可獲得較好的效果。那么試試作以下處理：

a. 扭轉振型出現在第一振型時，首先看看第一振型的結構自振周期數值。一般剪力墻結構自振周期按0.06n（n為層數），如果計算后結構自振周期遠遠小于0.06n，說明結構布置過剛，需減少結構內部剛度（如減少剪力墻數量，降低混凝土強度等級等）以達到減少平動周期，增加周邊扭轉周期的目的。扭轉振型出現在第一振型，結構周期比（結構扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比。《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010第3.4.5條：A級高度高層建筑不應大于0.9，B級高度高層建筑不應大于0.85）肯定不滿足規范要求。

b. 扭轉振型出現在第二振型時，且地震不利方向不超過15度時。說明結構沿兩個主軸方向的抗側移剛度相差較大，結構的抗側移剛度相對其中一主軸的抗側移剛度合理，但相對于另一主軸的抗側移剛度過小，此時適當減少結構內部剛度較大的一主軸，并相應加強這主軸結構外圍的剛度（如增加剪力墻長度或厚度，增加框架梁高度等），出現這種情況，結構周期比較難滿足規范要求。

c. 扭轉振型出現在第二振型時，且地震不利方向超過15度時。結構位移比（樓層的最大彈性水平位移或層間位移與該樓層兩端彈性水平位移或層間位移的平均值之比，《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010第3.4.5條：A級高度高層建筑不宜大于1.2，不應大于1.5；B級高度高層建筑不宜大于1.2，不應大于1.4）較難滿足規范要求。對于建筑平面特別復雜的時侯，容易出現這種情況。

首先查看平面質心和剛性位置圖，根據兩者偏移位置，合理調整結構構件布置，即加大質心一側樓層抗側力構件的剛度，如增加剪力墻長度或厚度；加大框架柱截面；增加框架梁高度等這樣反復調整后，直到質心和剛性位置接近。兩者位置很接近時，查看振型，周期計算結果WZQ.OUT,扭轉振型已轉移到第三振型，地震不利方向也不超過15度，結構周期比也滿足規范要求。查看平面配筋圖，會發現原來結構內部中跨高比很小的連梁有原來的超筋轉變為正常的配筋。

6. 無上部建筑的地下室頂梁的裂縫控制。當地下室范圍大于上部建筑時，有無上部建筑地下室頂梁是作為一個整體參與計算，所以在作施工圖設計時很容易忽略一個問題，那就是無上部建筑的地下室頂梁的裂縫控制問題。這部分梁上部一般都有很厚的覆土，又處于露天環境。根據《混凝土結構設計規范》GB50010-2010第3.5.2條規定，環境類別應取為二a類。再根據第3.4.5條，環境類別為二類時，鋼筋混凝土結構裂縫控制等級應為三級，最大裂縫寬度限制應為0.2。所以在作施工圖設計時應對地下室頂梁按有無上部建筑分別對待。

7. 地下室外墻垂直分布筋放置位置。地下室外墻厚度一般遠小于基礎底板，地下室內墻間距又大小不等，有的相距較遠。因此在工程設計中一般把地下室頂板和地下室基礎底板作為地下室外墻的支點按單向板（單跨，兩跨或多跨，具體看地下室層數）計算。計算時地下室基礎底板處按固定端，地下室頂板處按鉸支座處理。由于地下室外墻底部承受很大的負彎矩。為了增加地下室外墻截面有效高度，地下室外墻垂直分布筋應放在水平分布筋外側。另外，考慮到混凝土硬化過程及受溫度應力影響，地下室外墻與內墻交接處負彎矩效應等影響，可能產生豎向收縮裂縫，因此地下室外墻水平分布筋也宜適當增大。此時施工圖中對于地下室外墻應加節點大樣或說明其與上部剪力墻配筋形式的不同。

以上是個人在高層剪力墻結構設計中的幾點體會，并已在工程實踐中得以驗證。作為結構工程師在結構設計中都會遇到各種各樣的問題，我們應認真分析問題產生的原因，從中找到解決問題的辦法，最終能更快更好的完成項目結構設計。

參 考文獻

1)GB50010-2010《混凝土結構設計規范》中國建筑工業出版社 2010北京

2)GB50011-2010《建筑抗震設計規范》中國建筑工業出版社 2010北京

3)JGJ3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》中國建筑工業出版社 2010北京