高層建筑剪力墻結構的特性分析

苗 強

太原市第一建筑工程集團有限公司第四分公司，山西太原 030002

高層建筑剪力墻結構的特性分析

苗 強

太原市第一建筑工程集團有限公司第四分公司，山西太原 030002

隨著經濟建設的發展和人口的增長，高層建筑不斷增多，其新的結構形式也不斷涌現，剪力墻結構因其良好的抗震性能仍廣泛應用于高層建筑。本文簡要介紹了高層建筑結構的分類和特點，并對剪力墻結構的特性和布置要點做了探討。

高層建筑；剪力墻；特點

0 引言

高層建筑，是指層數較多、高度較高的建筑，但迄今為止，世界各國對多層建筑和高層建筑的劃分界限并不統一。我國內地從50年代開始自行設計和建造高層建筑，隨著九五計劃和2010年遠景規劃的制訂，建筑業成為支柱產業，我國高層建筑的興建進入了飛速發展時期。

從表面上看，高層結構的主要特點是層數和高度，但實質上，其特點是指水平荷載在設計中所占的主導地位。建筑結構同時承受垂直荷載和水平荷載作用。當建筑結構層數較少或高度較低時，水平荷載產生的內力和位移影響較小甚至可以忽略不計。隨著層數或高度的增加，水平荷載的影響逐漸增大。而在高層建筑中，水平荷載將成為控制因素，隨著結構層數或高度的增加以及荷載效應的增大，結構的內力和位移迅速增加，軸向力與高度成正比，而彎矩與位移都呈指數曲線上升，尤其是位移增長為高度的4次方。

1 高層建筑結構分類及其特點

框架結構建筑平面布置靈活，分隔方便；整體性、抗震性能好，設計合理時結構具有較好的塑性變形能力；外墻采用輕質填充材料時，結構自重小。但框架結構的缺點是剛度較小。橫向荷載作用下的側向變形大，正是這一點限制了框架結構的建造高度。剪力墻結構整體性好、剛度大，抵抗側向變形能力強；抗震性能較好，設計合理時結構具有較好的塑性變形能力。隨著高層建筑的發展，新的結構體系不斷出現，除框架、剪力墻、框架一剪力墻三大結構體系外、還有筒體、框架一筒體、剪力墻一筒體、筒中筒、巨型框架結構體系和懸掛結構體系等。

2 剪力墻的特性及布置方法

2.1 剪力墻特性

剪力墻是一種能較好的抵抗水平荷載的墻。我國《建筑抗震設計規范》)將其稱為抗震墻。剪力墻結構室內墻面平整，具有抗側剛度大，側移小；結構自重大，吸收地震能量大的特點，但是施工較麻煩，造價較高。剪力墻墻根據是否開洞和開洞大小，可以分為4類。一是實體墻或整截面剪力墻，是不開洞或開洞面積不大干15%的墻。如同一個整體的懸臂墻。在墻肢的整個高度上，彎矩圖既不突變，也無反彎點，變形以彎曲型為主；二是整體小開口剪力墻，是開洞面積大于15%但仍較小的墻。彎矩圖在連梁處發生突變，但在整個墻肢高度上沒有或僅僅在個別樓層中才發生反彎點。整個剪力墻的變形以彎曲型為主；三是雙肢或多肢剪力墻，是開洞較大或洞口成列布置的墻。受力特點與整體小開口墻相似；四是壁式框架，其洞口尺寸大，連梁線剛度與墻肢線剛度相近的墻。彎矩圖在樓層處發生突變，而且在大多數樓層中都出現反彎點。整個剪力墻的變形以剪切型為主，與框架的受力相似。剪力墻除了可以按墻面是否開洞和開洞大小進行劃分外，還可以根據墻肢截長度與寬度之比劃分為普通剪力墻、短肢剪力墻、小墻肢短肢剪力墻和異形柱。

2.2 剪力墻布置的注意事項

第一，剪力墻結構中，剪力墻宜沿主軸方向或其他方向雙向布置；抗震設計的剪力墻結構，應避免僅單向有墻的結構布置形式，以使其具有較好的空間工作性能，并宜使兩個受力方向的抗側剛度接近。剪力墻要均勻布置，數量要適當。剪力墻配置過少時，結構抗側剛度不夠；剪力墻配置過多時，墻體得不到充分利用，抗側剛度過大，會使地震力加大，自重加大，并非有利；第二，剪力墻墻肢截面宜簡單、規則，剪力墻的豎向剛度應均勻，剪力墻的門窗洞口宜上下對齊、成列布置，形成明確的墻肢和連梁。宜避免使墻肢剛度相差懸殊的洞口設置，抗震設計時，一、二、三級抗震等級剪力墻的底部加強部位不宜采用錯洞墻；一、二、三級抗震等級的剪力墻均不宜采用疊合錯洞墻；第三，為了避免剪力墻脆性破壞，較長的剪力墻宜開設洞口(用砌體填充)，將其分成長度較均勻的若干墻段，墻段之間宜采用弱梁連接，每個獨立墻段的總高度與其截面高度之比不應小于2。墻肢截面高度不宜大于8m。第四，剪力墻宜自下到上連續布置，避免剛度突變；第五，應控制剪力墻平面外的彎矩，以保證剪力墻平面外的穩定性。當剪力墻墻肢與其平面外方向的樓面梁連接時，應采取相關措施減少梁端部彎矩對墻的不利影響。

剪力墻是主要的抗震結構構件，因其剪力墻的水平剛度大，容易滿足小震作用下結構尤其是高層結構的側向位移限制。但是，建筑物剛度的大小，歷來爭議較多。對于鋼筋混凝土剪力墻結構，歷次震害表明，剛度較大的結構一般震害較輕。但是，結構剛度不能無限制增大，因為在一般情況下，建筑物剛度越大，承受的地震水平力也隨之增大，工程費用越高，這里有一個“度”的問題。對高層建筑，控制這個“度”主要有兩個因素，一個是控制結構的水平位移，首先應使結構水平位移滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》中有關結構水平位移的限值；另一個是控制地震力，因為在地震力計算值偏小的情況下，有時也會出現結構頂點位移滿足要求、構件為構造配筋的“安全”假象，所以，只有底部剪力在合理范圍內，檢查位移、內力及配筋情況才有意義，規范規定剪力墻結構的底部剪力系數a(底部剪力／結構自重)的范圍防止剪力過小。控制這兩個因素落實到結構設計方面就是對剪力墻進行合理布置，主要是剪力墻布置的數量和位置，以及部分構造措施的具體應用，這些內容在《高規》中沒有明確的規定，工程師出于結構安全、方便設計、縮短設計周期等考慮而把結構設計得偏于保守，一定程度上沒有充分發揮材料的性能，造成了一定的浪費。因此，深入開展對剪力墻結構的設計研究具有非常重要的現實意義。

[1]吳環.高層建筑設計中短柱的處理[J].中國新技術新產 品，2010(2).

[2]王艷軍.高層建筑剪力墻結構優化設計淺析[J].山西建筑，2010(5).

[3]孫雪蘭.淺談高層剪力墻結構的優化設計[J].山西建筑， 2010(24).

[4]王雪萍，聞柏.淺析建筑基本空間的設計[J].中國新技術 新產品，2010(4).

TU206

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1674-6708（2010）28-0086-02

苗強，助理工程師，工作單位：太原市第一建筑工程集團有限公司第四分公司，職務：生產科項目部副經理