高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)淺析

高云嬌

0 引言

剪力墻結(jié)構(gòu)通常是高層住宅建筑中所采取的主要結(jié)構(gòu)形式。其中，剪力墻的布置對于整體結(jié)構(gòu)而言，可形成有效抵抗水平力作用的體系，有著良好的抗震性能。同時(shí)，在進(jìn)行建筑功能布局時(shí)，又能起到對空間的各種分割作用，同時(shí)滿足住戶對使用功能的需求。因此，該結(jié)構(gòu)形式被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代高層建筑工程實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中。但考慮到具體工程所處的地域差異化，因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，往往需要根據(jù)項(xiàng)目所處地理位置，根據(jù)現(xiàn)行抗震規(guī)范及地勘報(bào)告所提出的地震烈度，調(diào)整相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)。在一些構(gòu)造措施上，也存在著些許差異。本文就某具體工程實(shí)例中遇見以及相關(guān)類似的問題，進(jìn)行深入討論分析。

1 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

本工程為位于北京市的某高層住宅樓。建筑總面積約為19 807 m，其中地上建筑面積為17 899 m，地下建筑面積為1 908 m，建筑總高度為70 m。地上24 層，地下3 層，層高為2.85 m。建筑設(shè)計(jì)使用年限為50 年，抗震設(shè)防類別為丙類，設(shè)防烈度為8 度，設(shè)計(jì)的地震加速度取為0.2g，地震分組屬于第二組，場地類別為Ⅲ類建筑場地，場地的特征周期為0.55s，如圖1 所示。

圖1 工程概況

1.2 設(shè)計(jì)過程中各種主要參數(shù)的選取

設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合抗震規(guī)范及地質(zhì)勘察報(bào)告所提供數(shù)據(jù)，最終確定其抗震等級是二級，涉及的主要參數(shù)詳見表1。計(jì)算原則為在建筑結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向上計(jì)算水平地震作用，豎直向分別計(jì)算恒荷載、活荷載，按照模擬施工的方法加載于計(jì)算模型中。

表1 設(shè)計(jì)過程中主要參數(shù)的選取

1.3 剪力墻布置

1.3.1 墻體厚度的確定

剪力墻墻體的厚度一般受建筑體量、抗震烈度、是否設(shè)置端柱等情形所影響，為了保證墻體的剛度、防止其由于失穩(wěn)而導(dǎo)致破壞，通常會對其最小厚度進(jìn)行要求。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定，詳表2 所示。

表2 墻體厚度

設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先假定墻體厚度，然后進(jìn)行電算，在滿足安全性且兼顧經(jīng)濟(jì)性的前提下，根據(jù)各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果參數(shù)，分析比對后，反復(fù)調(diào)整其布置，確定墻體厚度。

1.3.2 墻體布置的原則

根據(jù)相關(guān)規(guī)范及建筑功能布局，混凝土墻體布置原則：（1）墻體須上下連續(xù)，貫穿全高、避免剛度突變，也可沿高度改變混凝土強(qiáng)度等級、墻體的厚度或者減少部分的剪力墻墻肢，在滿足安全性的前提下達(dá)到經(jīng)濟(jì)；（2）左右對稱布置，可減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)；（3）為使在兩個(gè)主軸方向上的抗側(cè)剛度達(dá)到平衡，剪力墻雙向布置；（4）避免錯(cuò)洞，洞口宜成列布置，成明確的聯(lián)肢墻；（5）各墻肢長度均勻，不宜單墻段剛度過大。本工程墻體布置示意圖2 所示。

圖2 墻體布置

2 常見的問題及處理措施或建議

2.1 結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的問題及處理措施

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，由于結(jié)構(gòu)布置得不合理，電算結(jié)果會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，這是設(shè)計(jì)過程中經(jīng)常會碰到的問題，規(guī)范也對結(jié)構(gòu)的位移比做了要求，豎向構(gòu)件最大水平和層間位移，不宜大于該層平均值1.2 倍，不應(yīng)大于該層平均值1.4 倍。

在進(jìn)行初步布置墻體后，可先對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行原則性分析，即觀察該結(jié)構(gòu)平面的質(zhì)心和剛心的相對位置關(guān)系。如二心偏差較大，一般不容易滿足規(guī)范要求，如二者距離相對較近，則容易順利通過計(jì)算，滿足規(guī)范限值。通常情況下，住宅剪力墻結(jié)構(gòu)平面中剛心在質(zhì)心上方。這是因?yàn)槭軕粜汀㈤_窗等建筑功能布局導(dǎo)致的必然結(jié)果。合理的結(jié)構(gòu)布置，質(zhì)心和剛心在X 軸方向上的絕對距離，不應(yīng)該太大。

當(dāng)不符合規(guī)范要求時(shí)，建議可以通過兩種解決辦法進(jìn)行調(diào)整：

（1）整體結(jié)構(gòu)上加強(qiáng)其抗扭能力，可沿兩主軸方向適當(dāng)加強(qiáng)剪力墻的外圍剛度，如增加周圈剪力墻的布置、提高外圈梁的梁高等，同時(shí)或者適當(dāng)削弱結(jié)構(gòu)內(nèi)部的剛度，但需注意的是，層間位移角必須滿足規(guī)范要求；若第二振型發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，可加強(qiáng)外圍沿第一個(gè)振型轉(zhuǎn)角方向的剛度或減小沿第三個(gè)振型轉(zhuǎn)角方向的剛度。

（2）局部結(jié)構(gòu)上進(jìn)行調(diào)整，查出超限部位的節(jié)點(diǎn)，針對該節(jié)點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)布置調(diào)整，如加大此處梁高，或削弱與其相對稱部位的剛度以達(dá)到方向上平衡。

第一種方法，通常適用于在模型計(jì)算初期定案時(shí)使用。在定案初期，會出現(xiàn)因?yàn)轭A(yù)估不足，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)剛度不足的情況，所以需要對整體結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行大范圍調(diào)整，增加的剪力墻墻量較多。

第二種方法，通常適用于模型計(jì)算基本穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)整體剛度基本滿足的情況下，針對個(gè)別點(diǎn)位薄弱，進(jìn)行小范圍點(diǎn)對點(diǎn)加強(qiáng)處理。但是在計(jì)算過程中，要注意某個(gè)點(diǎn)處理后，是否會帶來相應(yīng)的不利結(jié)果，隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。如在采取此法進(jìn)行調(diào)整時(shí)，出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果參數(shù)突變的情況，設(shè)計(jì)者需特別注意，大多情況下，應(yīng)該是整體結(jié)構(gòu)布局不合理，才會導(dǎo)致微調(diào)情況下引起突變。此時(shí)不宜再進(jìn)行小范圍調(diào)整，建議對整體結(jié)構(gòu)布局重新審定、分析，達(dá)到整體結(jié)構(gòu)布局合理?xiàng)l件后，再對模型進(jìn)行微調(diào)。

2.2 基礎(chǔ)埋深、選型的問題

2.2.1 基礎(chǔ)埋深

（1）高層建筑基礎(chǔ)埋深，根據(jù)不同情況（設(shè)計(jì)者自行查閱規(guī)范即可），規(guī)范要求為不宜小于建筑總高度1/15 和1/18。在此前提下，再結(jié)合實(shí)際土層分布情況，選取合適的持力土層作為基礎(chǔ)底。（2）特殊情況下，建筑所處位置的地質(zhì)條件不好，如其下有采空區(qū)，而地下設(shè)置了地下車庫，住宅樓與車庫相連，且之間設(shè)置沉降縫，為了滿足基礎(chǔ)埋置深度要求、樓座穩(wěn)定性及抗傾覆等要求，需降低樓座筏板底標(biāo)高，結(jié)構(gòu)做下沉層進(jìn)行處理，如圖3 所示，使其滿足要求。

圖3 基礎(chǔ)埋深示意

2.2.2 基礎(chǔ)選型

選取天然地基或CFG 處理為持力層的基礎(chǔ)，一般選用筏板基礎(chǔ)；當(dāng)不滿足上述情況時(shí)，通常采用承臺梁樁基+止水板基礎(chǔ)形式，也有采用獨(dú)立承臺+拉梁+止水板情形。第一種情況，通常適用于高烈度剪力墻布置較多地域，第二種情況多用于低烈度區(qū)，剪力墻墻肢相對較短的地域。

2.3 墻體配筋的問題

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)重點(diǎn)把握剪力墻的配筋，無論是水平筋還是豎向筋，都起著至關(guān)重要的作用，如減少收縮裂縫、增強(qiáng)抗彎抗剪等性能。若墻體中水平分布鋼筋過少，一旦出現(xiàn)斜裂縫，會快速發(fā)展為斜向的主裂縫，從而導(dǎo)致墻體發(fā)生破壞；若墻體中豎向分布鋼筋過少，當(dāng)墻肢端部的縱向受力筋達(dá)到屈服以后，裂縫會快速展開，影響結(jié)構(gòu)安全。規(guī)范中也對不同抗震等級的墻體配筋率做出了最小的限制要求，抗震等級為一、二、三級時(shí)不應(yīng)小于0.25%，四級時(shí)不應(yīng)小于0.2%。

2.4 底部加強(qiáng)區(qū)的確定及約束邊緣構(gòu)件的設(shè)置

高層剪力墻設(shè)計(jì)往往遵循“強(qiáng)剪弱彎和強(qiáng)墻肢弱連梁”的原則，同時(shí)設(shè)計(jì)過程中還需控制各墻肢的軸壓比和剪壓比，避免剪跨比小的墻肢布置，為了提高底部剪力墻的抗剪切破壞能力，在其出現(xiàn)塑性鉸之后還能擁有較大的延性，故在剪力墻底部設(shè)置加強(qiáng)區(qū)及約束邊緣構(gòu)件等。

底部加強(qiáng)區(qū)的設(shè)置：根據(jù)規(guī)范房屋高度大于24m 時(shí)，底部加強(qiáng)區(qū)取值原則為：剪力墻肢總高度的十分之一及下部兩層，二者取其大。

約束邊緣構(gòu)件的設(shè)置：若剪力墻墻肢在底部加強(qiáng)高度范圍內(nèi)截面尺寸保持不變，即在此范圍內(nèi)墻底應(yīng)出現(xiàn)最大軸壓比數(shù)值，可以根據(jù)這個(gè)數(shù)值來判斷是否設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。當(dāng)剪力墻墻底截面的軸壓比不是最大值時(shí)，應(yīng)以底部加強(qiáng)部位高度范圍內(nèi)墻肢的最大軸壓比數(shù)值為確定是否設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。

結(jié)合本工程具體情況，底部加強(qiáng)區(qū)取為基礎(chǔ)頂至地上三層，約束邊緣構(gòu)件向上延伸一層，底部加強(qiáng)高度范圍內(nèi)，墻肢內(nèi)最大軸壓比出現(xiàn)在墻底截面，對于最大軸壓比未超過規(guī)范要求時(shí)，設(shè)置為構(gòu)造邊緣構(gòu)件。

2.5 樓面梁與剪力墻平面外相交

當(dāng)混凝土梁與剪力墻在平面外相交且墻厚度較小時(shí)，梁與墻一般為半剛接，工程中當(dāng)梁截面高度h與墻肢厚度b之比較大（如h/b≥2）時(shí)，會使墻肢在平面外承受很大的彎矩，此時(shí)，應(yīng)注意剪力墻平面外的受彎安全問題。處理措施如下：

（1）可在框架梁與剪力墻相交位置設(shè)混凝土扶壁柱，并用其來承受此處彎矩，扶壁柱的截面寬度取不應(yīng)小于梁寬。

（2）若無法設(shè)置扶壁柱時(shí)，可在梁與墻的交叉處設(shè)暗柱，暗柱的截面尺寸取為墻肢厚度b×（梁寬度b2×b）。

（3）為抵抗此墻肢的平面外的彎矩，可沿樓面梁的軸線方向設(shè)與其相連接的墻。

（4）也可在剪力墻內(nèi)設(shè)置型鋼。

（5）樓面梁伸出墻面形成梁頭，或設(shè)置為內(nèi)凸邊框梁，邊框梁寬度滿足梁端鋼筋錨固要求。

（6）可對梁墻節(jié)點(diǎn)進(jìn)行鉸接處理，將梁與墻的連接端按鉸接端計(jì)算，并考慮工程的實(shí)際情況，對鉸接端進(jìn)行構(gòu)造配筋。構(gòu)造配置的縱筋應(yīng)盡量不使用較大直徑的鋼筋，用細(xì)直徑及密的鋼筋進(jìn)行取代，以減少鋼筋的直段錨固長度0.4L對墻厚的要求。

本工程樓面梁與剪力墻平面外相交情況，如圖4 所示。為減小剪力墻平面外承受的彎矩，本工程采取設(shè)置暗柱及對梁墻節(jié)點(diǎn)進(jìn)行鉸接處理等措施，同時(shí)混凝土梁配置的縱筋使用小直徑鋼筋。

圖4 樓面梁與剪力墻平面外相交情形

2.6 連梁抗剪強(qiáng)度不足的問題

剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中最常見也是最普遍的問題就是連梁抗剪強(qiáng)度不夠，產(chǎn)生破壞時(shí)為脆性剪切破壞，其違反了強(qiáng)剪弱彎的設(shè)計(jì)原則，也不能形成彎曲破壞時(shí)作為耗能構(gòu)件的第一道防線，故應(yīng)采取有效措施，加強(qiáng)其強(qiáng)度。

處理措施可以從以下兩個(gè)方面：

（1）計(jì)算過程中：①改變結(jié)構(gòu)布置，降低連梁剛度，從而減少所承擔(dān)的地震作用；②通過調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，使水平荷載得以合理分配，使其所承受的剪力變小；③可調(diào)整連梁剛度折減系數(shù)，內(nèi)力計(jì)算前，直接對連梁的剛度進(jìn)行折減，折減系數(shù)不小于0.5；內(nèi)力計(jì)算后，對連梁的彎矩組合值乘以調(diào)幅系數(shù)；④采用設(shè)置水平縫的雙連梁，但因在計(jì)算假定與截面選取等方面都與實(shí)際受力存在較大差異，很難使連梁遵循強(qiáng)剪弱彎的原則，因此，在這里不建議在強(qiáng)震區(qū)使用此種處理措施；⑤通過提高混凝土的強(qiáng)度等級，來提高連梁的抗剪承載力；⑥通過改變連梁計(jì)算高度，尋找與連梁所能承受的最大抗剪承載力相匹配的抗彎承載力，而連梁的實(shí)際截面高度并未減小；⑦對連梁的兩端按鉸接處理進(jìn)行計(jì)算的前提是，其不能是次梁或者為主梁的支承梁。但需要注意的是，通過這種方式得到的計(jì)算結(jié)果中，層間位移比必須符合要求，連梁的上部鋼筋可按構(gòu)造要求配置即可。

（2）配筋過程中：①當(dāng)連梁計(jì)算超筋，可通過調(diào)整截面高度尋求其能承受的最大受剪承載力，進(jìn)行配筋時(shí)，按照實(shí)際的連梁與計(jì)算的連梁截面有效高度的比值，對縱向鋼筋面積調(diào)整處理；②配置超筋連梁的箍筋時(shí)，已不符合規(guī)范中所給的公式，剪力的設(shè)計(jì)值應(yīng)結(jié)合連梁截面的要求而定，這是較為準(zhǔn)確地計(jì)算相應(yīng)連梁箍筋面積的方法。

2.7 小墻肢軸壓比過大

設(shè)計(jì)過程中，受建筑功能及造型的影響，經(jīng)常會出現(xiàn)混凝土墻布置得不勻，或門窗把墻體分割為小墻肢，導(dǎo)致在承受集中荷載時(shí)，軸向力較大，此時(shí)需采取一定補(bǔ)強(qiáng)措施，保證墻肢的結(jié)構(gòu)安全。

（1）墻體轉(zhuǎn)角處存在多根梁相交，需注意其局部承壓強(qiáng)度，必要時(shí)可用增加墻垛的方法；

（2）樓梯間處不作為梯板或平臺板支承的剪力墻兼作室外墻體時(shí)，應(yīng)核實(shí)其墻體的穩(wěn)定性，可采用墻體局部加厚的辦法。

2.8 墻體開洞的處理

剪力墻墻體在滿足建筑使用功能前提下，兼顧豎向承重和抗側(cè)力工作機(jī)能。故在實(shí)際工程中，會不可避免出現(xiàn)墻體開洞的情形。墻體開洞要遵循以下原則：

（1）所有建筑門窗洞口處，為滿足使用功能，必須開洞。此種洞口除個(gè)別窗戶可進(jìn)行小范圍微調(diào)外，基本都需按建筑條件開洞。

（2）水暖專業(yè)通風(fēng)、采暖（北方地區(qū)）所需預(yù)留洞口，電氣專業(yè)配電柜、橋架等需預(yù)留洞口。此種洞口可調(diào)性要大于第一種情況，當(dāng)機(jī)電專業(yè)所提穿墻位置相對不合理時(shí)（如在暗柱附近，或穿暗柱的位置），可在協(xié)商后進(jìn)行調(diào)整機(jī)電專業(yè)管線走向。避免主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重不合理情形。

（3）結(jié)構(gòu)專業(yè)洞口，此種洞口為非使用功能需求性洞口，純粹為了避免出現(xiàn)長墻肢，導(dǎo)致局部剛度過大，吸收地震力較多，破壞整體結(jié)構(gòu)平衡。規(guī)范規(guī)定墻肢長度不宜大于8m，高度與墻長比不宜小于3，其考慮出發(fā)點(diǎn)亦是為了盡量避免出現(xiàn)剛度過于集中的情況。

2.9 混凝土強(qiáng)度的選用

本項(xiàng)目基礎(chǔ)選用C40 混凝土，墻體選用 C40、C35、C30按豎向遞減排列分布，樓板選用 C30 混凝土。

墻體混凝土選用及概念設(shè)計(jì)：基礎(chǔ)至地上五層頂，采用C40 混凝土，六層至十層選用C35 混凝土，其余部分選用C30混凝土。本工程底部加強(qiáng)區(qū)為基礎(chǔ)至三層頂，約束邊緣構(gòu)件至四層頂，可起到增加結(jié)構(gòu)延性的概念設(shè)計(jì)效果。豎向墻體混凝土標(biāo)號在此基礎(chǔ)上延伸一層，亦是從概念設(shè)計(jì)層面考慮，而非受機(jī)械性計(jì)算結(jié)果控制。

3 結(jié)束語

通過對以上設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題分析總結(jié)，可以看出，在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)從宏觀、微觀層面多層次開展設(shè)計(jì)工作。設(shè)計(jì)過程中，不但要滿足規(guī)范條文，也要同時(shí)兼顧考慮實(shí)現(xiàn)建筑功能、滿足結(jié)構(gòu)安全、使用人性、經(jīng)濟(jì)合理等一系列多重因素。