高層剪力墻結構抗震性能研究

【摘要】城市人口的增多導致可利用土地面積減少，因此，為了使人們日益增加的居住需求得到滿足，高層建筑結構得到了快速地發展，同時隨著建筑高度的不斷增加，對建筑結構的抗震性能和安全性能也有了更高的要求。剪力墻結構由于具備較好的抗震性能，有著平面內剛度大和承載能力強等優點，所以被廣泛運用在高層建筑當中。在高層剪力墻結構抗震設計中，設計人員應該著重考慮如何提高剪力墻的抗震能力，使人們的人身、財產安全有所保障。

【關鍵詞】高層;剪力墻結構;抗震性能

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.19.096

為了保證高層建筑的抗震性和穩定性，設計人員應該加強對高層剪力墻結構抗震性能的研究和分析，并且能夠根據不同地區的不同情況，對剪力墻結構的抗震性能展開不同的研究，以此來提高剪力墻結構的抗震性能，使剪力墻結構能夠達到最理想的承載能力，保證人們的人身、財產安全。文章通過對高層剪力墻結構抗震性能的分析和研究，提出了一些相關的設計思路供該類結構設計參考，使高層建筑的安全性和穩定性能夠有所保證。

1、剪力墻結構概述

剪力墻結構由于具備較好的抗震性能，且同時具有較好的抗側剛度和穩定性，能夠滿足人們在正常使用時對舒適度的要求，因此剪力墻結構開始逐漸代替傳統的框架結構被廣泛地運用到高層建筑當中。相較于傳統的框架結構，剪力墻結構可以提供更大的側向剛度，在水平荷載作用下使剪力墻承受剪力和彎矩，在相同的水平荷載的作用下，剪力墻結構產生更小的側向變形，將剪力墻結構運用于高層建筑中具有更好的安全性能和抗震性能。

2、剪力墻結構的布置原則

在高層剪力墻結構體系中，剪力墻承擔了全部的豎向作用力和水平作用力，剪力墻結構的布置是否合理直接影響到建筑結構的抗震性能和安全性能;因此，設計人員在設計剪力墻結構的過程中，應保證剪力墻結構的設計符合剪力墻的布置原則，這樣才能避免由于剪力墻結構的布置不合理而造成工程成本的浪費，并且降低了高層剪力墻結構的抗震性能和安全性能。文章對剪力墻結構的布置原則進行了如下的闡述和歸納，可為該類結構設計提供一般性的參考。

2.1保持豎向剛度均勻

剪力墻應沿房屋建筑全高貫通布置，保持剪力墻沿建筑全高有均勻的豎向剛度。當剪力墻的布置沿建筑物豎向發生較大改變時，會造成建筑結構在較大改變處發生剛度突變，這樣會產生應力集中，進而導致產生較大的內力與變形，這樣不利于高層剪力墻結構的抗震性能

發揮，進行剪力墻結構方案設計時應盡量避免剪力墻沿豎向剛度不均勻這種情況。當剪力墻需要沿豎向發生改變時，可以允許墻肢厚度和混凝土等級改變，也允許減少部分墻肢，使結構豎向剛度逐漸減小，避免產生剛度突變，導致應力集中的現象發生。

當剪力墻的豎向布置自下而上逐漸減小時，樓層的側向剛度應盡量滿足大于等于相鄰上一樓層的70%和其上三個相鄰樓層側向剛度均值的80%;且還需滿足樓層層間受剪承載力應盡量大于等于上一樓層受剪承載力的65%。

2.2雙向布置剪力墻

設計人員在進行剪力墻結構平面布置時，宜沿建筑結構主要軸線進行雙向布置，保持兩個方向的抗側剛度不相差太大，這樣更有利于保證剪力墻結構的穩定性能和抗震性能的發揮。因此在剪力墻結構設計中，應盡量避免僅單向布置剪力墻的結構形式，并保持兩個方向的側向剛度接近，也即保持兩個方向的自振周期相接近。同時，在進行剪力墻結構設計時，也應注意剪力墻的布置不宜太過密集，而應保持合適的抗側剛度。

2.3剪力墻洞口的設置

當布置的剪力墻比較長時，宜設置洞口將較長的剪力墻分為均勻的幾段墻肢，墻肢之間用跨高比較大的連梁連接;每個獨立墻肢的總高度與墻肢長度之比宜大于3，墻肢長度宜小于8，這是由于墻肢長度較小時，在荷載作用下受彎產生的裂縫寬度也較小，墻肢的配筋可以充分的發揮作用。

同時，剪力墻的布置應盡量對直拉通，這樣可以增加結構的抗震能力。宜將門窗洞口上下各層對齊設置，這樣能夠形成受力明確、計算簡單的墻肢和連梁。在抗震設計時，應盡量避免采用錯洞剪力墻和疊合錯洞墻;這是由于錯洞剪力墻和疊合錯洞墻導致墻肢不規則，并且在洞口之間容易形成薄弱部分，對結構抗震性能十分不利。

2.4避免全部采用短肢剪力墻

短肢剪力墻是指墻肢厚度小于等于300mm，墻肢截面高度與墻肢厚度之比大于4且小于等于8的剪力墻;高層建筑結構應避免全部采用短肢剪力墻這種結構形式，且應盡可能避免采用一字形短肢剪力墻，結構布置中的一字形短肢墻和短翼緣L形短肢墻可修改為T字形寬翼緣短肢剪力墻。

2.5加強周邊剪力墻的布置

通過合理加強周邊剪力墻的布置，且同時適當減少內部剪力墻的布置，可以在一定程度上增強結構的抗側剛度和抗扭能力，可對減小結構的扭轉效應起到比較好的作用，從而提高結構的安全性能。

3、不同因素對剪力墻結構抗震性能的影響

3.1剪力墻厚度對剪力墻結構抗震性能的影響

剪力墻厚度增加，能夠在一定程度上增加結構的側向剛度，進而可以減小結構的側向位移，這樣在一定程度上增強了結構的抗震性能。同時，隨著剪力墻厚度增加，結構自振周期隨之減小。在實際設計過程中發現，與調整剪力墻墻肢截面厚度相比，增加剪力墻數量，對提高結構側向剛度和減小結構側向位移作用更加顯著。

3.2連梁剛度對剪力墻結構抗震性能的影響

連梁剛度對剪力墻結構的抗震性能和破壞狀態影響非常大，其最理想的屈服過程是讓連梁屈服先于墻肢屈服，并且保證剪力墻具有足夠的延性，這樣設計出來的剪力墻結構具有更好的抗震性能和耗能性能。

當連梁剛度和連梁抗彎承載力比較高時，在水平荷載作用下連梁不一定先屈服，可能墻肢先屈服并在墻肢底部產生塑性鉸，這樣在墻肢底部形成了單鉸機構，這時只要墻肢不發生剪切破壞，那么這種破壞還是具有一定的延性性能;但是，這種屈服過程沒有連梁先達到屈服并在連梁兩端產生塑性鉸這種多鉸耗能結構抗震性能和延性性能好。因為，當連梁剛度和連梁抗彎承載力較小時，在水平荷載作用下連梁先屈服并在連梁兩端產生塑性鉸，結構剛度減小，結構變形加大，這樣可以吸收很大一部分地震能量，具有很好的耗能能力;同時彎矩和剪力仍能通過塑性鉸進行傳遞，對墻體具有一定的約束作用，使剪力墻仍能保持一定的強度和剛度。在這種屈服過程中，連梁起到了很好的耗能作用，這對減小墻肢內力和延緩墻肢屈服起到了很好的作用，具有很好的延性性能和抗震性能。

4、加強剪力墻結構抗震性能的措施

4.1適當加強周邊剪力墻的布置

通過適當加強周邊剪力墻的布置，可以在一定程度上增加結構的側向剛度和抵抗扭轉的能力，這對減少結構的扭轉作用有很好的效果，從而可以提高結構的抗震性能。在實際設計過程中，當第一扭轉周期與第一平動周期之比和樓層層間位移比超過規范限值時，通過適當加強周邊剪力墻和適當減小中間部位剪力墻的布置，能夠很好地解決這一類問題。

4.2保證剪力墻不同部位的鋼筋最小配筋率

剪力墻水平和豎向分布鋼筋的配筋率，一、二、三級應大于等于0.25%，四級應大于等于0.2%。短肢剪力墻豎向鋼筋的配筋率，一、二級時底部加強部位宜大于等于1.2%，三、四級時底部加強部位宜大于等于1.0%，一、二級時其余部位宜大于等于1.0%，三、四級時其余部位宜大于等于0.8%。保證剪力墻不同部位的鋼筋最小配筋率，可以在一定程度上提高剪力墻結構的抗震性能和安全性能。

4.3對剪力墻結構進行延性設計

高層剪力墻結構在水平荷載作用下的破壞特性，分為剪切破壞和彎曲破壞，前者屬于脆性破壞，后者屬于延性破壞。脆性破壞在結構破壞前沒有明顯的預兆或變形，這種破壞形式對結構的安全性極其不利，在進行剪力墻結構設計時應該盡量避免這種脆性破壞的形式;延性破壞在結構破壞前會有明顯的預兆或變形，這種破壞形式對結構的安全性有一定保證，在剪力墻結構設計時應該盡量采取這種延性破壞形式。在實際設計過程中，通過“強墻弱梁”和“強剪弱彎”這兩條措施來保證設計的剪力墻結構具備很好的延性性能和抗震性能。

結語：

由于剪力墻結構具有比較好的側向剛度和承載能力，并且在可利用土地面積逐漸減小形勢下，高層剪力墻結構在現代高層建筑中得到越來越廣泛地運用。如何對剪力墻結構進行更加合理地設計，進而保證高層剪力墻結構在地震作用下擁有更好的抗震性能和安全性能顯得越來越重要。文章通過對高層剪力墻結構抗震性能的分析和研究，提出了一些相關的設計思路可供該類結構設計作為參考。

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作者簡介：

劉佳霞，1990，男，漢族，湖南，湖南智謀規劃工程設計咨詢有限責任公司，研究生，工程師。