淺談高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

李桂萍

（南寧市規(guī)劃局，廣西 南寧 530000）

相對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)潔、寬敞，使用功能更好，為住戶的自行改造增大了靈活性，加大了使用面積，因而廣泛受到建筑師和業(yè)主的歡迎。但由于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能較差，且地震區(qū)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不多。因此，剪力墻結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)要注意許多問(wèn)題。

1 高層建筑的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)

1.1 軸向變形

高層建筑的豎向荷載一般較大，會(huì)在柱中引起相當(dāng)大的軸向變形從而影響連續(xù)梁彎矩，同時(shí)還會(huì)影響預(yù)制構(gòu)件的下料長(zhǎng)度。因此必須考慮軸向變形計(jì)算值，對(duì)下料長(zhǎng)度作相應(yīng)調(diào)整。

1.2 水平荷載

對(duì)于一定高度范圍的高層建筑而言，豎向荷載基本固定不變，而包括風(fēng)荷載與地震作用的水平荷載的數(shù)值，則會(huì)隨結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的區(qū)別而發(fā)生較大范圍的變化。

1.3 側(cè)移的控制

結(jié)構(gòu)側(cè)移是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。隨著樓房高度的增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形會(huì)隨著建筑高度的升高而迅速增大。基于這一原因，水平荷載作用下的側(cè)移必須嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)。

1.4 結(jié)構(gòu)延性

高層建筑比矮層樓房的結(jié)構(gòu)更柔和，因此遇到地震等劇烈震動(dòng)時(shí)所發(fā)生的形變會(huì)更大。為保證建筑在塑性變形階段中仍能具備強(qiáng)變形能力，必須在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取相應(yīng)措施以保證結(jié)構(gòu)的延性。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

剪力墻是一種能較好的抵抗水平荷載的墻。剪力墻由于能有效抵抗水平荷載，因此在總體的墻面結(jié)構(gòu)上具有以下特點(diǎn)：抗側(cè)剛度大，側(cè)移小；室內(nèi)墻面較為平整；結(jié)構(gòu)自重大，吸收地震的能量大；一般剪力墻的墻肢截面高度與厚度之比很大，在水平荷載的作用下，通常抗剪剛度起控制作用，故其耗能較差。所以它常常應(yīng)用在層數(shù)較多（20層以上）的高層建筑中，當(dāng)剪力墻洞口較小時(shí)，剪力墻整體性能比較好，剪力墻截面彎曲破壞極限承載力可以按照全截面抗彎計(jì)算。另外，采用剪力墻結(jié)構(gòu)，會(huì)使室內(nèi)較框架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，沒(méi)有露梁和露柱現(xiàn)象，外形美觀，便于室內(nèi)布置。但也存在缺點(diǎn)，例如剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度大，會(huì)引起較大地震反應(yīng)，使得上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)費(fèi)用增加；由于混凝土墻體較多，使得建筑物重量增加，這也同樣引起較大地震反應(yīng)，進(jìn)而造成浪費(fèi)；剪力墻結(jié)構(gòu)中各墻肢軸壓比往往較低，使得各墻肢的承載能力得不到充分發(fā)揮；剪力墻結(jié)構(gòu)中墻體多為構(gòu)造配筋，配筋率均較低，使得結(jié)構(gòu)延性較差。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

剪力墻作為豎向構(gòu)件是形成結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度的最主要構(gòu)件，它在建筑中承擔(dān)著整個(gè)結(jié)構(gòu)的豎向荷載和絕大部分水平荷載。剪力墻建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

3.1 剪力墻布置

剪力墻布置必須均勻合理，使整個(gè)建筑物的質(zhì)心和剛心趨于重合，且x、y兩向的剛重比接近。在結(jié)構(gòu)布置時(shí)應(yīng)盡量避免僅單向有墻的結(jié)構(gòu)布置形式，以使其具有較好的空間工作性能，并且使兩個(gè)受力方向的抗側(cè)剛度接近，若無(wú)法避免，則剪力墻相應(yīng)部位應(yīng)設(shè)置暗柱，當(dāng)梁高大于墻厚的 2.5倍時(shí)，應(yīng)計(jì)算暗柱配筋，轉(zhuǎn)角處墻肢應(yīng)盡可能長(zhǎng)，因轉(zhuǎn)角處應(yīng)力容易集中，有條件兩個(gè)方向均應(yīng)布置成長(zhǎng)墻。

3.2 剪力墻厚度確定

剪力墻墻肢截面比較適宜簡(jiǎn)單、規(guī)則，剪力墻的豎向剛度應(yīng)均勻，其門窗洞口最好成列布置、上下對(duì)齊，形成明確的連梁和墻肢。避免使墻肢剛度相差懸殊的洞口設(shè)置，在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一、二、三級(jí)抗震等級(jí)剪力墻的底部加強(qiáng)部位最好不要采用錯(cuò)洞墻，二、三級(jí)抗震等級(jí)的剪力墻均不宜采用疊合錯(cuò)洞墻。

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中對(duì)剪力墻的截面尺寸具體規(guī)定如下：“按一、二級(jí)抗震等級(jí)設(shè)計(jì)的剪力墻的截面厚度，底部加強(qiáng)部位不應(yīng)小于層高或剪力墻無(wú)支長(zhǎng)度的1/16，且不應(yīng)小于200 mm，其他部位不應(yīng)小于層高或剪力墻的1/20，且不應(yīng)小于160 mm；按三、四級(jí)抗震等級(jí)設(shè)計(jì)的剪力墻的截面厚度，底部加強(qiáng)部位不應(yīng)小于層高或剪力墻元支長(zhǎng)度的1/20，且不應(yīng)小于160 mm，其他部位不應(yīng)小于層高或剪力墻的1/25，且不應(yīng)小于180 mm。”

3.3 剪力墻墻體配筋

一般要求水平鋼筋放在外側(cè)，豎向鋼筋放在內(nèi)側(cè)。配筋滿足計(jì)算及規(guī)范建議的最小配筋率即可。加強(qiáng)區(qū)φ10@200，非加強(qiáng)區(qū)φ8@200雙層雙向即可。雙排鋼筋之間采用φ6@600×600拉筋。但地下部分墻體配筋則另當(dāng)別論。因?yàn)榈叵虏糠謮w配筋大多由水壓力、土壓力產(chǎn)生的側(cè)壓力控制，而由于簡(jiǎn)化計(jì)算經(jīng)常由豎向筋控制，此種情況下為增大計(jì)算墻體有效高度，可將地下部分墻體的水平筋放在內(nèi)側(cè)，豎向鋼筋放在外側(cè)。

3.4 設(shè)置邊緣構(gòu)件

對(duì)于普通剪力墻，其暗柱配筋滿足規(guī)范要求的最小配筋率，建議加強(qiáng)區(qū) 0.7%，一般部位 0.5%。對(duì)于短肢剪力墻，控制配筋率加強(qiáng)區(qū) 1.2%，一般部位 1.0%；對(duì)于小墻肢其受力性能較差，應(yīng)嚴(yán)格按高規(guī)控制其軸壓比，宜按框架柱進(jìn)行截面設(shè)計(jì)，并應(yīng)控制其縱向鋼筋配筋率加強(qiáng)區(qū) 1.2%，一般部位 1.0%；而對(duì)于一個(gè)方向長(zhǎng)肢另一方向短肢的墻體，設(shè)計(jì)中往往就按長(zhǎng)肢墻進(jìn)行暗柱配筋。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

某工程，總建筑面積為12 570 m2，采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，為12層住宅樓，層高3 m，頂層為復(fù)式住宅，屋頂為四坡屋面。

4.2 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于整個(gè)樓層的建筑平面較為復(fù)雜，采用在○14和○15軸間設(shè)置雙墻防震縫，在○D和○E軸間設(shè)置懸挑構(gòu)件抗震縫的處理方法，將平面分成相對(duì)獨(dú)立的 4個(gè)部分，各部分的長(zhǎng)寬比 L1/B1max＝29/9.4＝3.09＜5，L2/B2max＝117.52/17.02＝1.03＜5。高寬比 Hl/B1＝37.44/9.4＝3.98＜6。H2/B2＝41.94/17.02＝2.46＜6，符合規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)層高1層～12層為3.0 m，坡屋面層高0.55～2.47 m，坡度為40%。平面的南側(cè)拐角處設(shè)有陽(yáng)光房，平面突出的部分為六邊形，突出長(zhǎng)度為2.1 m，L/Bmax＜0.3，符合規(guī)則建筑平面布置要求。

4.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)

場(chǎng)地類型為II類建筑場(chǎng)地，剪力墻抗震等級(jí)為二級(jí)。水平地震作用按x，y兩個(gè)方向計(jì)算。同時(shí)考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)，周期折減系數(shù)0.85，計(jì)算取9個(gè)振型，結(jié)構(gòu)阻尼比0.05，豎向力按模擬施工加載方式計(jì)算，恒活荷載分開(kāi)計(jì)算。修正后的基本風(fēng)壓為0.35，地面粗糙度為B類，結(jié)構(gòu)體型系數(shù)為1.4。連梁剛度折減系數(shù)0.7，地震力分項(xiàng)系數(shù)為1.3，風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.4，恒荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.2，活荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.4。

本工程基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土墻下條基（有肋梁），剪力墻厚度內(nèi)外墻均為200 mm，連梁截面b×h為200×（370～570） mm，樓板厚度100～130 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35C25。地基采用天然地基，以③層黏土層作為持力層，Es＝15 MPa，fak＝300 kPa。

4.4 剪力墻的布置

按照抗震設(shè)計(jì)要求，結(jié)合窗間墻、樓梯間及房間四角等布置成“一”字形、“L”形、“T”，形、“Z”形或“十”字形墻段，沿結(jié)構(gòu)平面各主軸方向均勻、對(duì)稱布置，做到剛心和質(zhì)心重合，減少結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)。各墻肢肢長(zhǎng)不宜相差太大，截面高厚比可以控制在5～8之間，避免出現(xiàn)高厚比小于3的小墻肢，使各墻肢剛度接近，保證在水平地震力作用下，各墻肢受力均勻，避免個(gè)別長(zhǎng)墻因內(nèi)力太大而出現(xiàn)超筋。另外在④～⑥軸，⑩～⑥軸間形成4個(gè)較為完整的弱筒，以增強(qiáng)整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力性。在豎向，要求墻肢上下對(duì)齊、連續(xù)。在同一軸線上的各墻肢通過(guò)連系梁連接，可增加對(duì)墻肢的約束，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。為了保證連梁具有較好的剛度和延性，取其跨高比為4≤l/h≤8較為合適。

4.5 墻肢截面設(shè)計(jì)

塔樓周圍及肢長(zhǎng)/肢寬＜3的小墻肢均按框架柱的抗震要求配置縱筋及箍筋，并降低軸壓比提高要求。連梁高度的設(shè)計(jì)計(jì)算從剪力墻洞頂至樓板面或屋面，窗間墻和窗臺(tái)以下墻體采用輕質(zhì)材料砌筑。連梁正截面配筋按矩形截面構(gòu)件計(jì)算，取上、下配筋兩者之中的較大值，配置于梁截面上、下部位，考慮到施工因素，一般每排布置2根縱筋為宜，也可根據(jù)墻厚適當(dāng)增加。按斜截面抗剪計(jì)算所得的箍筋沿梁全長(zhǎng)加密布置，對(duì)于個(gè)別連梁由于跨高比較大、剛度大，可能出現(xiàn)超筋，地震作用下允許其局部出現(xiàn)裂縫，可將連梁剛度折減。為保證結(jié)構(gòu)平面剛度，樓層最小板厚100 mm，在南側(cè)陽(yáng)光房塔樓處適當(dāng)增加厚度。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，由于剪力墻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、寬敞，使用功能好，為住戶的自行改造增大了靈活性，加大了使用面積，在高層住宅中的運(yùn)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。因此，工程設(shè)計(jì)人員必須充分理解新規(guī)范編制原理，將新高規(guī)和新抗震規(guī)范和工程實(shí)際情況緊密結(jié)合，不斷提高工程設(shè)計(jì)水平。