高層住宅剪力墻結構設計的思考

于磊

（南京長江都市建筑設計股份有限公司 江蘇南京 210006）

0 引言

隨著土地資源的緊缺以及城市化進程的高速發展，建筑逐漸向空間方向發展，近年來市場上出現越來越多的剪力墻結構的高層住宅，高層住宅的安全性及可靠性就顯得尤為重要。一旦遭受地震作用或者外部撞擊時，高層住宅會發生劇烈晃動，嚴重的甚至會出現局部塌陷，這就要求設計人員設計時提高結構的抗震性能，保證結構的安全性和穩定性，滿足規范要求的各項指標。

1 鋼筋混凝土剪力墻結構的受力分析

剪力墻結構主要由縱橫兩個方向的剪力墻、剪力墻之間的連梁以及樓蓋形成的空間結構。剪力墻結構因其整體性較好、抗側剛度大、承載力高等優點，在水平荷載作用下結構的側移較小，抗震及抗風性能都較好，具有很好的延性；同時由于剪力墻均可隱于建筑墻體中，不影響室內使用空間和建筑功能，因此越來越多的高層住宅采用剪力墻結構。一般剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比大于8的剪力墻；短肢剪力墻是指截面不大于300mm、各肢截面高度與厚度之比最大值大于4但不大于8的剪力墻。由于短肢剪力墻較一般剪力墻的延性較差，高層住宅抗震設計時應盡量避免短肢剪力墻的設置，規范也通過限制短肢剪力墻的軸壓比來保證結構的穩定性及安全性。

對于高層住宅，剪力墻結構在豎向荷載和水平荷載作用下主要有四種破壞形式：①彎曲破壞；②彎剪破壞；③剪切破壞；④滑移破壞。剪跨比λ是影響剪力墻破壞形態的主要因素，試驗表明當λ≥2時，剪力墻的破壞形態以彎曲破壞為主；當1≤λ＜2時通過合理設計可實現彎剪破壞；當λ＜1時，呈現剪切破壞。設計時應盡量避免脆性的剪切破壞，將剪力墻設計為延性較好的彎曲破壞或彎剪破壞。實際工程中滑移破壞很少出現，一般出現在施工縫位置，大多是由施工不當引起，可以避免；近年來隨著裝配式建筑的不斷推廣，高層住宅中也開始采用預制剪力墻，由于現階段施工工藝以及灌漿檢測手段的不完善，裝配式剪力墻結構的住宅應重視施工縫處的滑移破壞。

2 剪力墻布置原則

方案階段應力求建筑體型簡單化，剪力墻的布置平面上宜簡單、規則，沿兩個主軸方向均勻對稱布置，盡量使結構的剛心與質心重合；兩個方向的側向剛度相差不宜過大，宜布置L型或T型剪力墻，盡量避免一字墻以及短肢剪力墻的布置；同時豎向宜連續布置，避免剛度突變；門窗洞口宜上下對齊，形成明確的墻肢和連梁，避免設置寬度相差較大的洞口。

3 剪力墻結構參數的合理控制

3.1 剪重比

為了限制各樓層最小水平地震力，出于對結構安全性的考慮，特別是對于長周期結構，規范提出了最小樓層地震剪力的要求。設計時應對剪重比進行合理的控制，當地震剪力偏小而層間位移角偏大時，表明結構剛度較柔，可通過增加剪力墻的布置來提高結構的側向剛度；當地震剪力偏大而層間位移角偏小時，表明結構剛度較大，可通過縮短或取消部分剪力墻來減小結構的剛度，以保證結構的經濟性；對于低烈度區或者場地土為Ⅰ類或Ⅱ類時，經常遇到地震剪力偏小而層間位移又基本接近規范限值，說明結構的剛度已較為合適，通過增大剛度來調整剪重比勢必會造成不經濟，可通過放大樓層的地震剪力的方式來滿足剪重比的要求。

3.2 周期比

周期比是反映結構側向剛度和扭轉剛度之間相對大小的一個指標，主要是保證抗側力構件的平面布置更加科學合理。一般住宅結構不超過A級高度，周期比應控制在0.9以內，對于周期比不滿足規范要求時，可通過在結構周邊布置剪力墻、增大周邊梁截面來提高結構抗扭剛度，或者在結構中部剪力墻開洞來降低內筒剛度。

3.3 層間位移及位移角

在水平荷載作用下，剪力墻結構會出現側向位移。一般由三部分組成：樓層之間的剪切位移、彎曲變形產生的側移以及由于下部樓層結構出現整體變形而引起的轉動位移。層間位移角是反映結構側向剛度的一個重要指標，對于剪力墻結構層間位移角的限值為1/1000，設計時應通過調整兩個方向的剪力墻布置，使兩個方向的剛度相差不宜太大，同時滿足規范要求的層間位移角的限值。

3.4 位移比

位移比即是在考慮偶然偏心的規定水平力作用下，樓層的豎向構件的最大水平位移和層間位移，與該樓層平均位移的比值。對于不超過A級高度的高層住宅，位移比不宜大于1.2且不應大于1.5。同時規范也提出當樓層最大位移角不大于規范規定限值的40%時，位移比可適當放松，但不應大于1.6。設計時應調整最大位移比處構件的側向剛度，同時盡可能使結構剛心和質心重合，減少扭轉對結構的不利影響。

4 剪力墻結構中連梁的設計

4.1 連梁的受力分析

在地震作用下，連梁可以有效地吸收地震能量，進而局部出現破壞，不影響整體建筑的安全性。由于剪力墻剛度較大，在地震作用下產生的地震剪力也較大，相應連梁產生的變形也較大，連梁就會出現轉動，產生較大的轉角，這時連梁就出現了塑性鉸，表明連梁已進入彈塑性受力階段，在水平荷載不斷增大的同時，塑性鉸也進行擴展，直到損壞。連梁作為剪力墻結構的第一道防線，以保證地震作用下剪力墻不出現塑性鉸。

4.2 連梁超筋的解決方法

在實際工程結構設計中，我們經常會遇到連梁出現超筋的情況，可以采用以下方法進行調整：

4.2.1 調整連梁截面

連梁的設計應遵循強剪弱彎的原則，可以將連梁的截面調小或者將連梁跨度增大，以削弱此處結構的剛度，減小連梁在地震作用下的剪力。

4.2.2 設置交叉斜筋或對角暗撐

可以設置交叉斜筋或者對角暗撐，增大連梁的抗剪承載力。規范要求設置交叉斜筋的連梁截面寬度不小于250mm，對于對角暗撐連梁截面不小于400mm，而一般住宅剪力墻結構中剪力墻厚度為200mm，只有在高烈度區剪力墻厚度超過250mm時方可采用此方法。

4.2.3 設置雙連梁

雙連梁是在連梁截面高度的中間部位設置一條水平縫，將一根連梁分為兩根小連梁，一般水平縫的寬度為50～100mm，可保證連梁的抗剪承載力基本保持不變，而大大削弱連梁的抗彎承載力，滿足強剪弱彎的要求。

4.2.4 連梁剛度折減

在計算地震作用效應時，可對剪力墻連梁剛度進行折減，減少地震作用下連梁的受力，折減系數不宜小于0.5；而當連梁內力由風荷載控制時，連梁剛度不宜折減。

4.2.5 荷載表現不明顯的情況

當連梁破壞對承受豎向荷載無明顯影響時（無樓面梁支撐在連梁上時），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，墻肢應按兩次計算的較大內力進行包絡設計，同時連梁本身滿足非抗震設計的承載力和正常使用要求。

5 總結

總而言之，在進行高層住宅剪力墻結構設計的過程中，要結合實際工程合理布置剪力墻，同時滿足規范要求的各項指標，采用適當的方式調整連梁剛度，保證剪力墻結構的抗震性能以及較好的延性，避免出現安全問題。