高層建筑中短肢剪力墻結構截面設計與構造問題探析

韓斌

【摘 要】由于短肢剪力墻抗震性能較差，地震區應用經驗不多，為安全起見，國家現行規范對這種結構抗震設計的最大適用高度、使用范圍、抗震等級、筒體和一般剪力墻承受的地震傾覆力矩、墻肢厚度、軸壓比、截面剪力設計值、縱向鋼筋配筋率作了相應規定。

【關鍵詞】高層建筑；短肢剪力墻；截面尺寸；空間剛度；結構自重；抗側剛度

0 引言

近年興起的短肢剪力墻結構，有利于住宅建筑布置，又可進一步減輕結構自重。但是在高層住宅中，剪力墻不宜過少、墻肢不宜過短，因此，不應設計僅有短肢剪力墻的高層建筑，要求設置剪力墻筒體（或一般剪力墻），形成短肢剪力墻與筒體（或一般剪力墻）共同抵抗水平力的結構。

1 關于剪力墻洞口布置規定

剪力墻洞口的布置，會極大地影響剪力墻的力學性能。規則開洞，洞口成列、成排布置，能形成明確的墻肢和連梁，應力分布比較規則，又與當前普遍應用程序的計算簡圖較為符合，設計結果安全可靠。錯洞剪力墻應力分布復雜，計算、構造都比較復雜和困難。剪力墻底部加強部位，是塑性鉸出現及保證剪力墻安全的重要部位，一、二和三級不宜采用錯洞布置。其他情況如無法避免錯洞墻，宜控制錯洞墻洞口間的水平距離不小于2m，設計時應仔細計算分析，并在洞口周邊采取有效構造措施。一、二、三級抗震設計的剪力墻不宜采用疊合錯洞墻；當無法避免疊合錯洞布置時，應按有限元方法仔細計算分析并在洞口周邊采取加強措施或采用其他輕質材料填充將疊合洞口轉化為規則洞口，其中陰影部分表示輕質填充墻體。

因此國家現行有關規范明確了剪力墻結構洞口布置在設計中所注意事項：

（1）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。具有不規則洞口布置的錯洞墻，可按彈性平面有限元方法進行應力分析，并按應力進行截面配筋設計或校核。

（2）較長的剪力墻宜開設洞口，將其分成長度較為均勻的若干墻段，墻段之間宜采用弱連梁連接，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。

2 關于剪力墻連梁及底部加強區設計的一般規定

剪力墻的特點是平面內剛度及承載力大，而平面外剛度及承載力都相對很小。當剪力墻與平面外方向的梁連接時，會造成墻肢平面外彎矩，而一般情況下并不驗算墻的平面外的剛度及承載力。當梁高大于2倍墻厚時，梁端彎矩對墻平面外的安全不利，因此應當采取措施，以保證剪力墻平面外的安全。對截面較小的樓面梁可設計為鉸接或半剛接，減小墻肢平面外彎矩。鉸接端或半剛接端可通過彎矩調幅或梁變截面來實現，跨高比小于5的連梁，豎向荷載下的彎矩所占比例較小，水平荷載作用下產生的反彎使它對剪切變形十分敏感，容易出現剪切裂縫。本章針對連梁設計作了一些規定。當連梁跨高比不小于5時，豎向荷載作用下的彎矩所占比例較大，宜按框架梁設計。此時應相應加大梁跨中彎矩。

關于剪力墻底部加強區：在抗震設計時，為保證出現塑性鉸后剪力墻具有足夠的延性，該范圍內應當加強構造措施，提高其抗剪切破壞的能力。由于剪力墻底部塑性鉸出現都有一定范圍，因此對其作了規定。一般情況下單個塑性鉸發展高度為墻底截面以上墻肢截面高度hw的范圍，為安全起見，本條規定的加強部位范圍適當擴大。

樓板主梁支承在連梁或框架梁上時，一方面，主梁端部約束達不到要求；另一方面，對支承梁不利，因此要盡量避免。樓板次梁支承在連梁或框架梁上時，次梁端部可按鉸接處理梁與墻的連接有兩種情況：當梁與墻在同一平面內時，多數為剛接，梁鋼筋在墻內的錨固長度應與梁、柱連接時相同。當梁與墻不在同一平面內時，多數為半剛接，梁鋼筋錨固應符合錨固長度要求；當墻截面厚度較小時，可適當減小梁鋼筋錨固的水平段，但總長度應滿足非抗震或抗震錨固長度要求。

國家現行有關規范明確了剪力墻結構連梁及底部加強區布置在設計中所注意事項：

（1）應控制剪力墻平面外的彎矩。當剪力墻墻肢與其平面外方向的樓面梁連接時，應至少采取以下措施中的一個措施，減小梁端部彎矩對墻的不利影響：

1）沿梁軸線方向設置與梁相連的剪力墻，抵抗該墻肢平面外彎矩；

2）當不能設置與梁軸線方向相連的剪力墻時，宜在墻與梁相交處設置扶壁柱。扶壁柱宜按計算確定截面及配筋；

3）當不能設置扶壁柱時，應在墻與梁相交處設置暗柱，并宜按計算確定配筋；

4）必要時，剪力墻內可設置型鋼。

（2）剪力墻開洞形成的跨高比小于5的連梁，應按本章有關規定進行設計，當跨高比不小于5時，宜按框架梁進行設計。

（3）不宜將樓面主梁支承在剪力墻之間的連梁上。

3 短肢剪力結構設計相關構造

為了保證剪力墻的承載能力及變形能力，剪力墻混凝土的強度等級不宜太低。剪力墻最小厚度的目的是保證剪力墻出平面的剛度和穩定性能。當墻平面外有與其相交的剪力墻時，可視為剪力墻的支承，有利于保證剪力墻出平面的剛度和穩定性能，因而可在層高及無支長度二者中取較小值計算剪力墻的最小厚度。無支長度是指沿剪力墻長度方向沒有平面外橫向支承墻的長度。而兩端無翼墻和端柱的一字形剪力墻，只能按層高計算墻厚，最小厚度也要加大。如果無法滿足本條厚度要求，可按高規程附錄D作墻體穩定計算。

因此我國現行有關規范明確了剪力墻結構截面設計中所注意事項

（1）短肢剪力墻的剪力墻結構的混凝土強度等級不應低于C25。

（2）剪力墻的截面尺寸應滿足下列要求：

l）按一、二級抗震等級設計的剪力墻的截面厚度，底部加強部位不應小于層高或剪力墻無支長度的1/16，且不應小于200mm；其他部位不應小于層高或剪力墻無支長度的1/20，且不應小于160mm；

2）按三、四級抗震等級設計的剪力墻的截面厚度，底部加強部位不應小于層高或剪力墻無支長度的1/20，且不應小于160mm；其他部位不應小于層高或剪力墻無支長度的1/25，且不應小于160mm；

3）非抗震設計的剪力墻，其截面厚度不應小于層高或剪力墻無支長度的l/25，且不應小于160mm；

4）當墻厚不能滿足本條第1、2、3款的要求時，應按高規附錄D計算墻體的穩定；

5）剪力墻井筒中，分隔電梯井或管道井的墻肢截面厚度可適當減小，但不宜小于160mm。

4 剪力墻的截面尺寸還應滿足下列計算要求

鋼筋混凝土剪力墻正截面受彎計算公式是依據現行國家標準《混凝土結構設計規范》GB50010中偏心受壓和偏心受拉構件的假定及有關規定，又根據中國建筑科學研究院結構所等單位所做的剪力墻試驗進行了簡化。試驗研究表明，在墻體發生破壞時，剪力墻腹板中受壓區的分布鋼筋應力仍然很小，因此在計算時忽略受壓區分布筋作用。按照平截面假定，不考慮受拉混凝土的作用，受壓區混凝土按矩形應力圖塊計算。大偏壓時受拉區分布鋼筋應力及受拉、受壓端部鋼筋都達到屈服，在1.5倍受壓區范圍之外，假定受拉區分布鋼筋全部屈服；小偏壓時端部受壓鋼筋屈服，而受拉分布鋼筋及端部鋼筋均未屈服。條文中分別給出了工字形截面的兩個基本平衡公式（∑N=0，∑M=0），由此可得到各種情況下的設計計算公式。偏心受拉正截面計算公式直接采用了現行國家標準《混凝土結構設計規范》GB50010的有關公式。

5 結束語

總之，剪力墻結構住宅建筑，由于其縱向墻體受到門窗及其它建筑上的限制，墻肢截面的高度及連梁的高度都不可能變化，所以這時宜綜合經濟性和整體受力性能來調整橫向剪力墻的布置。

【參考文獻】

[1]張晉，呂志濤.異形柱框輕和短肢剪力墻住宅結構體系[J].建筑結構，2001，31（7）：48-50.

[2]傅強.短肢剪力墻抗剪性能研究[D].南京：東南大學，2000.

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