高層住宅建筑的剪力墻布置與優化

程家魁

摘要：在當前高層建筑體系的構建過程當中，剪力墻結構是極為普遍的設計形式，剪力墻的側向剛度相對較大，且其抗震性相對較好，在民用住宅的建筑設計過程中有著極為普遍的應用，基于上述角度，對高層建筑剪力墻結構進行有效的優化，提高剪力墻布置的合理，充分發揮剪力墻結構的優勢。

關鍵詞：高層建筑;抗震結構;剪力墻;優化;

引言

在當今社會的發展過程中，住宅產業得到了蓬勃的發展，其中采用剪力墻結構的高層住宅已經占據住宅項目的90%左右。根據完成的項目統計，在剪力墻結構中，剪力墻的工程量占據一次結構土建工程量的16%～38%，高度越高，烈度越大，剪力墻的占比越大，故如何把剪力墻設計的安全、經濟、合理，是一個結構方案優劣的重要考量指標，也有必要對剪力墻結構的剪力墻進行深度的研究，進一步的提高剪力墻的安全性、經濟性等。

1剪力墻結構的布置原則

剪力墻的特點是截面高度很大，厚度相對較小，故剪力墻的面內剛度很大，面外剛度很小，在設計或計算中，通常忽略剪力墻的面外剛度。受建筑布局、立面的影響，剪力墻的墻肢長度、墻體厚度、截面形狀、開洞等讓剪力墻的形式變化多端，受力狀況更加復雜，如何發揮剪力墻的優勢，避免其短處，是剪力墻結構設計的核心。根據經驗，主要從以下幾個方面優化剪力墻的布置：

0.1雙向布置，剛度盡量接近

在剪力墻的布置過程中，由于不考慮剪力墻的面外剛度，應根據建筑平面的特點，在東西向和南北向均設置適量的剪力墻，并使得兩個主軸方向的剛度盡量接近。

0.2強周邊弱中間

對矩形平面，在滿足中間墻肢軸壓比限值的情況下，剪力墻盡量布置在周邊或外圍。當周邊和外圍無法布置更多的剪力墻且結構仍然有較大的扭轉時，可增加外圈連梁高度，保證結構的第一、第二振型為平動。剪力墻要在兩個主軸方向均勻、對稱布置，減小樓梯、電梯偏置帶來的偏心影響，盡量減小結構的剛度中心與形心的距離，以減少偏心帶來的扭轉造成的造價。

對于住宅以大致的矩形平面為主，其他平面較少。對于圓形平面，剪力墻可以徑向、環向設置為宜，對于三角形平面可沿著三個主軸的方向設置剪力墻，布置的原則是盡量均勻、對稱。

0.3長度、間距

由于不考慮剪力墻的面外剛度，且受建筑凈高要求的影響，面外梁高一般400～600mm，且受建筑使用的影響，常常無法設置扶壁柱以平衡剪力墻面外梁產生的彎矩，故剪力墻的間距不宜很大，不適合大空間的結構，較適用于住宅、公寓等平面上可以布置較多墻體的結構。在條件允許的情況下，應盡量加大剪力墻的間距，并使結構具有適當的側向剛度。

高寬比大于3的剪力墻往往具有較好的延性，其破壞形態一般為彎曲破壞。剪力墻的截面高度一般不宜大于8m，當截面高度大于8m時，可在墻體中間開洞口形成聯肢墻。采用跨高比不小于6的弱連梁連接各墻肢，這樣各墻肢相對獨立，受力較均勻，也更能充分發揮各墻肢的作用。

0.4洞口布置

布置門窗洞口時宜規則、上下對齊，均勻布置，盡量避免墻肢長度差異很大。墻肢越長，其剛度越大，吸收的地震力就越大。大震時，這些長墻容易首先破壞，其他墻肢的配筋又不足，容易造成結構的連續倒塌，對結構整體不利。對于抗震等級為一～三級的剪力墻的底部加強部位不應采用錯洞墻。當底部加強部位以上錯洞墻很難避免時，可采用有限元應力分析，并加強錯洞處的配筋構造，且錯開的距離不宜小于2m。也可采用結構上設置規則洞口，通過填充輕質隔墻的方式形成錯洞，以滿足建筑立面要求。

0.5短肢剪力墻、一字墻

短肢剪力墻布置靈活，自重較輕，對建筑的影響小，很受建筑專業的青睞，但是短肢剪力墻抗震性能較差，不宜布置過多。局部使用時，其墻肢厚度、軸壓比、配筋率、抗震等級等均應有更嚴格的要求。

結構布置時宜減少一字墻的數量。特別是山墻，常常在墻平面外布置一些單側梁，造成墻平面外的彎矩較大，而一字墻的平面外穩定性較差，對墻體不利，無法避免時應采取一些措施，如設置端柱，釋放梁端彎矩等。

0.6豎向布置

剪力墻豎向宜連續，剪力墻厚度和混凝土強度等級宜隨高度的增加逐步減少，避免在同一層同時改變墻厚和混凝土強度等級，以免剪力墻剛度突變。同時，截面和混凝土減少的幅度也不易過大，墻厚一般每次減少50mm，混凝土一般可減少一個等級，每5層左右改變一次為宜，避免改變頻繁造成的施工困難。

1剪力墻的設計優化

2.1底部加強部位的高度

高層建筑就像一個插入地表的懸臂構件。在橫向水平力作用下，底部的彎矩是最大的，也是最可能出現塑性鉸的地方。底部鋼筋屈服后，由于鋼筋和混凝土的粘結力破壞，鋼筋的屈服范圍越來越大，最終形成一個區域。設計時應該對這個區域采取加強措施，也成為剪力墻的底部加強部位。塑性鉸區的長度范圍一般小于或等于剪力墻的截面高度[1]。高規和抗規都對底部加強部位做出了規定，且考慮安全，都大于塑性鉸區的長度。由于底部加強部位配筋要求較高，為節約成本，在設計時滿足規范的要求即可，不需要特意的提高底部加強部位的范圍。

2.2嵌固部位的選擇

對于高層結構，一般設置一層或多層地下室。對于一層地下室，可選擇基礎頂作為嵌固端，若地下室相關范圍剛度較大時，如設置了人防墻或者地下室外墻較多時，容易滿足地下一層與首層側向剛度比不小于2（上海抗規要求1.5）的要求時，也可以選擇地下室頂板作為上部結構的嵌固部位，避免為滿足嵌固端的構造要求而增設較多的混凝土墻并加厚頂板，造成結構成本的增加。對于多層地下室，一般可選擇地下室頂板作為嵌固部位，并應滿足相應的構造要求，約束邊緣構件可由一層延伸至地下一層，地下二層及以下可設置構造邊緣構件，以減少構件邊緣構件的構造配筋，節約工程造價。

2.3墻身配筋

墻體分布鋼筋的主要作用是提高墻體的受剪承載力，限制墻體斜裂縫的擴展并防止發生脆性破壞。高規7.2.8～7.2.9條給出了墻身豎向分布筋的計算方法。從公式中可以看出，大偏壓時考慮少量豎向分布筋的貢獻，小偏壓時不考慮豎向分布筋的貢獻。墻體配筋率在0.1%～0.28%的墻體，不會立即發生剪切破壞，滿足規范要求的最小配筋率時，可以基本保證剪力墻出現裂縫后具有足夠的承載力和延性[2].文獻[3]試驗表明，提高邊緣構件的配筋率，可提高其承載力，裂縫也更均勻更密，剪切變形也更小，而墻身分布配筋率即使由0.23%提高到0.593%，其裂縫的分布情況并不會有明顯的改善。這些理論分析和震害也表明，墻身配筋在大多數情況下無法充分發揮其承載力，故規范對一～三級的構造配筋率要求一致，對加強區和非加強區的墻身配筋率也沒有區別，只有底部加強區為部分框支抗震墻時，其配筋率才提高到0.30%。故墻身配筋率按高規或抗規要求設置即可，一般也無需加強，避免不必要的浪費。

2.4墻身豎向鋼筋

對于剪力墻墻身的豎向鋼筋直徑，抗規規定豎向鋼筋的直徑不宜小于10mm，高規規定不應小于8mm，并不作為強制性條文，這也是根據很多工程實踐經驗和設計院的建議制定的[4]。目前三級鋼的使用已經成為主流，其強度高，硬度大，對層高不大的建筑，其間距通常取200mm，最小直徑8mm，僅需滿足最小配筋率，不必隨意提高其配筋量[5]。

結語

不同的結構布置方案，對有關規范的不同解讀都會對建設成本有較大的影響，隨著建筑行業利潤率的降低，如何在滿足建筑功能和安全的同時，降低工程造價已經是很多房地產企業的迫切需求。研究如何做好建筑結構的優化設計，好鋼用在刀刃上，減少不必要的浪費，是一件非常有意義的事情。

參考文獻

[1]李國勝.多高層鋼筋混凝土結構設計優化與合理構造.中國建筑工業出版社，2012.

[2]周獻祥. 品味鋼筋混凝土：設計常遇的混凝土結構機制機理分析. 知識產權出版社，2006.

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