剪力墻結構設計中的若干問題探析

周曉莉

摘 要：伴隨著高層建筑的迅猛增加，對剪力墻結構的合理設計及優化布置，對于節約建設成本具有重要意義。本文對剪力墻結構分析模型及方法進行了介紹，并重點對剪力墻結構的合理布置問題進行了探討和研究。

關鍵詞：高層建筑；剪力墻結構；優化布置

1 剪力墻結構分析模型及方法

高層建筑結構中的剪力墻所承受的荷載有風和地震引起的水平荷載、結構自重和各樓層活荷載等豎向荷載，其主要功能還是抵抗結構的水平側力，利用其強大的抗側移剛度，減小結構的側移。一般在多遇地震的情況下，剪力墻能很好地滿足結構強度、剛度和抗震方面的要求，在大震和罕遇地震的情況下，由于地震加速度峰值大，輸入的地震能量大，這就要求剪力墻具有較好的耗能能力，具有較好的延性。所以在進行結構設計時，對有抗震設防要求的結構就要進行非線形靜力、動力分析，而在這一分析中，如何建立合理的剪力墻計算分析模型就顯得為重要。目前國內外對剪力墻的計算分析模型的研究很多，主要可歸納為兩種，基于固體力學的微觀模型和以一個構件為一個單元的宏觀模型。

1.1 微觀模型

微觀模型是指用有限元來離散鋼筋混凝土構件。對剪力墻體中的鋼筋和混凝土的處理，一般有二種方法：將鋼筋和混凝土離散開，分別建立不同的單元，鋼筋單元和混凝土單元之間采用聯結單元來連接以模擬粘結和滑移。根據剪力墻配筋基本上呈均勻分布的特點，將鋼筋和混凝土作為一個整體的復合介質單元，鋼筋彌散于整個單元中，并把單元視為連續均勻材料，混凝土開裂處理為單元內的分布裂縫。一般情況下剪力墻暗柱處配筋較大且對剪力墻性能影響較大，中間墻片處配筋小且比較均勻，可將暗柱和中間墻片分別處理，將暗柱處的鋼筋和混凝土進行離散，而對中間墻片采用復合單元的方法。

利用微觀模型的有限元分析方法能夠給出結構或構件內力和變形發展的過程，能夠描述裂縫的形成和擴展，以及結構或構件的破壞過程及其形態，從而可揭示出結構或構件的基本性能。因此研究剪力墻構件的基本性能及彎曲、滯回特性，微觀模型的有限元分析方法理論上是一種基本和精確的方法。對于實際結構的分析，采用微觀模型容易造成龐大的自由度，從而引起的數值分析上的困難，因此這一模型目前主要用于構件和結點的分析中，而很少應用用整個結構的分析中。

1.2 主要的宏觀模型

宏觀模型是指通過簡化處理將某一構件簡化成一個單元，這種模型存在一定的局限性，一般只有在滿足其簡化假設的前提下，才能較好地模擬結構地真實性態。然而由于這種模型相對比較簡單，計算量較小，所以從分析實際結構考慮，宏觀模型仍是目前鋼筋混凝土剪力墻研究和使用中的最主要的模型。剪力墻宏觀模型主要有等效梁模型、等效精架模型、三垂直桿元模型等。

1.2.1 等效梁模型

這種模型是用梁單元沿墻軸線來對剪力墻進行離散。最簡單最常用的梁單元模型是單分量模型，它由一個兩端帶有等效非線性旋轉彈簧的線彈性單元組成，該單元的全部非線性變形集中于兩端非線性旋轉彈簧的旋轉即塑性鉸上。每個彈簧的非線性彎矩一轉動關系由事先假定的反彎點的位置來確定，端點的非線性轉動取決于該處的彎矩。對于非線性彈簧可一采用任意給定的彎矩一轉動滯變模型，除彎曲模型外，由拉伸鋼筋滑移引起的也可包括在滯變模型中。但這種梁單元模型忽略了反應中墻軸力的變化，并假設墻的轉動圍繞著墻橫截面的中性軸，因而沒有考慮地震反應中墻橫截面中性軸的移動。

1.2.2 等效析架模型

1989年Hiraishi和Kawashimail7l用一等效格架系統來模擬剪力墻，該模型的特點是可以計算由對角開裂引起的應力再分布。然而用此模型的困難是要合適定義等效析架系統幾何和力學特性，因而這一模型應用較少。

1.2.3 三垂直桿元模型

1984年Kabeyasawa等為解釋美日合作研究的足尺的七層鋼筋混凝土框架一剪力墻結構偽動力試驗結果，提出了一個三垂直桿元模型。三垂直桿元模型中三個垂直桿元通過代表上下樓板的剛性梁連接，兩個外邊桿單元代表墻兩邊柱的軸向剛度，中心桿元由垂直、水平和彎曲彈簧組成，在中心桿元與下部剛梁之間加入一高度為rh的剛性元素，rh即為底部和頂部剛梁相對旋轉中心的高度。

2 剪力墻結構的合理布置

2.1 層數較少的高層住宅

20層以下的高層采用傳統的現澆剪力墻結構，各墻肢軸壓比的計算值往往較小，墻體配筋為構造配筋，墻體承載能力沒有發揮出來，工程費用偏高。這時，若采用一種改進的現澆剪力墻結構，屬于聯肢剪力墻的短肢剪力墻結構(整體系數控制在3.5左右)，以上不足就可以得到解決。短肢剪力墻結構的具體做法是:利用位于建筑平面中部抗側剛度很大的樓梯間、電梯間作為一個抵抗水平力的抗剪核心筒，這個核心筒有多片剪力墻組成，用以抵抗大部分由風荷載和地震作用引起的水平力。在7度區，20層以下的高層住宅采用短肢剪力墻結構，結構頂點位移、周期、底部剪力一般均可控制在合理范圍內。

2.2 框支剪力墻結構

底部大空間剪力墻結構是指全落地剪力墻和框架支承的剪力墻協同工作的結構體系。這種結構體系在底層為商店，上層為住宅，旅館的建筑中經常被采用。但是這種體系的抗震性能不好，因為上層剪力墻結構抗側剛度很大，而下層框架一剪力墻剛度較小;結構剛度沿豎向變化懸殊，有時達4-6倍，使得結構在水平力作用下容易產生應力集中和變形集中。下層的剛度應不小于上層剛度的70%。在框支剪力墻結構中，為了減小上下層的剛度比，不采用加大下層剛度的方法，而采取減小上部剪力墻體系的剛度即改用短肢剪力墻體系，經濟效果就十分明顯了。改進后保留的短肢墻的數量主要取決于結構剛度的要求，要使結構的頂點位移和層間位移滿足規范要求，并使底部剪力系數控制在合理的范圍內。

2.3 層數較多的高層住宅

在層數較多的高層建筑中，如采用短肢剪力墻體系，就使得結構較柔，結構頂點位移和層間位移就不一定能滿足規范要求，底部剪力系數也偏低，結構趨于不安全。因此層數較多的高層住宅，最好采用整體性系數 接近10的聯肢剪力墻。

3 在高層建筑中剪力墻結構設計注意事項

剪力墻的布置宜沿著主軸方向或其他方向雙向布置;有抗震要求的剪力墻，應避免僅單向有墻的結構形式。墻肢截面宜簡單、規則，側向剛度不宜過大。高層建筑結構不應采用全部為短肢剪力墻的剪力墻結構。短肢剪力墻較多的時候應布置筒體(或一般剪力墻)形成短肢剪力墻與筒體(或一般剪力墻)共同抵抗水平力的剪力墻結構。抗震設計時短肢剪力墻的抗震等級應比規定的剪力墻抗震等級提高以及采用;在抗震等級為一、二、三時不宜大于0.5,0.6,0.7;對于無翼緣或端柱的一字形短肢剪力墻其軸壓比應降低0.10短肢剪力墻截面厚度不應小于200mm。

剪力墻宜至下到上連續布置，避免剛度突變。

按三、四級抗震等級設計的剪力強戒面厚度底部加強部位不應小于層高和剪力墻無支長度的1/20，且不應小于160mm;其他部位不應小于層高或剪力墻無支民度的1/25且不應小于160mm。

高度不大于150m的剪力墻結構，其樓層層間最大位移與層高之比△ulh}1/1000。

平面不規則而豎向規則的建筑結構應采用空間結構計算模型并應符合下列要求:1)扭轉不規則時應計及扭轉影響且樓層豎向構件最大的彈性水平位移和層間位移分別小宜大十樓層兩端彈性水平位移和層間位移平均值的1.5倍;2)凹凸不規則或樓板局部不連續時應采用符合樓板平面內實際剛度變化的計算模型當平面不對稱時尚應計及扭轉影響。

抗震設計的高層建筑結構，其樓層側向剛度小宜小十相鄰上部樓層側向剛度的70%或其上相鄰三層側向剛度平均值的80%。當把地下室頂板作為上部結構的嵌固端時，地下室的樓層側向剛度不應小于相鄰上部結構樓層側向剛度的2倍。

參考文獻

[1]苗麗.剪力墻優化選型初探，鄭州工業大學學報，2001.

[2]王法武.高層框架及剪力墻結構的側移優化設計，工業建筑，2006.

[3]包世華.新編高層建筑結構，中國水利水電出版社，2001.