試論高層建筑剪力墻結構設計

摘要：剪力墻結構作為高層建筑中的主要結構形式，被廣泛運用于現代高層建筑。剪力墻結構既抵抗側向力又承受豎向荷載，文章分析了高層建筑剪力墻結構的概念設計對優化設計的重要性，并著重介紹了剪力墻結構的特點及結構布置原則，并對剪力墻結構的設計和計算分析中應注意的問題進行了探討。

關鍵詞：高層建筑；剪力墻結構；優化設計

隨著經濟和社會發展的需求，以及城市人口密度的持續增長，高層住宅建筑正逐漸成為城市建筑的發展趨勢，也是城市現代化的象征。對剪力墻結構的研究具有重要的理論和實踐意義，它能夠為高層建筑的抗震性和經濟性提供重要的指導。對同一建筑而言，不同的結構墻體布置，其經濟指標差異很大，主要是混凝土用量和建筑的鋼含量的差距很大。

1 高層建筑剪力墻結構的概念設計

高層建筑結構同時承受垂直和水平荷載，還要抵抗地震作用，在低層結構中，水平荷載產生的內力和位移很小，通常可以忽略；而在高層建筑中，水平荷載和地震力的作用將成為高層建筑剪力墻的控制因素。隨著建筑高度增加，位移增加最快，彎矩次之。因此高層建筑設計不僅要有較大的承載能力，而且需要較大的抗側剛度，以保證水平荷載產生的側向變形控制在一定范圍內。剪力墻結構在水平力作用下側向變形的特征為彎曲型。剪力墻結構承受豎向荷載及水平荷載的能力都較大。其特點是整體性好，側向剛度大，水平力作用下側移小，并且由于沒有梁、柱等外露與凸出，便于房間內部布置。缺點是不能提供大空間房屋，結構延性較差。在水平地震作用下，高層短肢剪力墻結構主要表現為整體彎曲變形，底部外圍的小墻肢承由于豎向荷載較大，破壞嚴重，特別是一字形小墻肢的破壞最為嚴重?？稍黾咏ㄖ镏苓厜χL度或連梁高度來消除扭轉不規則，從而使結構的抗扭剛度明顯增大。為了提高墻肢的承載力和延性，還需加強邊緣構件配筋，增大這些部位墻肢縱筋和箍筋的配筋率，嚴格控制軸壓比。

2 剪力墻結構設計方面的優化

1、在剪力墻結構中，剪力墻宜沿主軸方向布置，形成空間結構；抗震設計的剪力墻結構，應避免僅單向布置剪力墻，并宜使兩個受力方向的抗側剛度接近，以使其具有較好的空間工作性能。剪力墻的抗側剛度及承載力均較大，為充分利用剪力墻的能力，減輕結構重量，增大剪力墻結構的可利用空間，墻不宜布置太密，使其結構具有適宜的側向剛度。

2、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，應力分布比較規則，又與當前普遍應用的計算簡圖較為符合，設計結果安全可靠。宜避免使墻肢剛度相差懸殊的洞口設置，當剪力墻的洞口布置出現錯洞、疊合錯洞時，墻內配筋應構成框架形式。

3、較長的剪力墻宜開設洞口，將其分成長度較均勻的若干墻段，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，以避免剪力墻產生脆性的剪切破壞。抗震設計時，應盡量避免在洞口與墻邊或在兩個洞口之間形成墻肢截面高度與厚度之比小于4的小墻肢。當小墻肢截面的高度小于墻厚的4倍時，應按框架柱設計，箍筋按框架柱加密區要求全高加密。

4、剪力墻的特點是平面內剛度及承重力大，而平面外剛度及承載力都相對很小，應控制剪力墻平面外的彎矩，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，應采取足夠的措施減少梁端部彎矩對墻的不利影響。

5、剪力墻布置對結構的抗側剛度有很大影響，剪力墻宜自下到上連續布置，避免剛度突變；允許沿高度改變墻厚和混凝土強度等級，或減少部分墻肢，使側向高度沿高度逐漸減小。剪力墻沿高度不連續，將造成結構沿高度剛度突變，對結構抗震不利。

6、在進行剪力墻設計時，應通過結構分析，在滿足最大層間位移、周期比、位移比的各項指標確定每層剪力墻的厚度時，同時考慮不同抗震等級軸壓比的影響及穩定性和相關構造要求。對于普通的住宅建筑在7度和8度地區，墻厚大多數情況下是按穩定和構造要求所控制的。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》第7.2.2條和8.2.2條確定的剪力墻允許高厚比見表1。

注：H為層高或剪力墻無支長度的較小值

3 剪力墻結構計算方面的優化

在設計剪力墻結構時，應根據規范要求綜合考察結構是否合理，如剪力墻結構的剛度不宜過大，在滿足樓層最大層間位移與層高之比滿足規范的基礎上，以規范規定的樓層最小剪力系數為目標。

1、樓層最小剪力系數的調整原則。在滿足短肢剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩占結構總底部地震傾覆力矩不超過40%的前提下，盡可能減少剪力墻的布置，以大開間剪力墻布置方案為目標，使結構具有適宜的側向剛度，使樓層最小剪力系數接近（不小于）規范限值。這樣能夠減輕結構自重，有效減小地震作用的輸入，同時降低工程造價。

2、剪力墻水平分布筋在邊緣構件中的錨固。邊緣構件本身是剪力墻的一部分，不能套用一般的梁與柱連接的做法，因為它與剪力墻墻身之間的連接是相同構件之間的連接。剪力墻的水平布筋是按整片墻肢的配置來抵抗水平地震作用產生的剪力的，用剪力墻邊緣構件中的箍筋來改善混凝土的受壓性能，約束混凝士，使剪力墻在地震作用下具有較好的耗能和延性能力。可以將水平分布筋延伸至墻肢端部，并垂直彎折15d。

3、連梁的配筋。剪力墻的連梁是耗能構件，它的剪切破壞對抗震不利，會使結構的延性降低。設計時要注意對連梁進行“強剪弱彎”的驗算，保證連梁的剪切破壞后于彎曲破壞。切忌人為加大連梁的縱筋，如此，可能無法滿足“強剪弱彎”的要求。不能認為加大箍筋就能保證“強剪弱彎”。當連梁不滿足截面控制條件時，如果盲目增加箍筋，會導致連梁發生剪切破壞先于箍筋充分發揮作用。連梁截面的抗剪計算，對于跨高比大于2.5的連梁，其剪力設計值應乘以增大系數ηvb：一級取1.3，二級取1.2，三級取1.1。剪力墻連梁的截面尚應滿足以下要求：

跨高比大于2.5時:v≤(0.2βcfcbbhbc)/rRE

跨高比不大于2.5時：v≤(0.15βcfcbbhbc)/rRE

式中：v為梁端截面組合的剪力設計值：βc一混凝士強度影響系數，《高規》(JGJ3—2002)第6.2.6條的規定采用。

4、結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比（周期比）的調整原則。震害表明，平面不規則、質量與剛度偏心、抗扭剛度太弱的結構，在震中破壞嚴重。在設計時，要保證結構的抗扭剛度不能太弱：首先要限制結構平面的不規則性，避免產生較大的扭轉效應，扭轉效應的計算應考慮偶然偏心的影響；其次是限制結構的抗扭剛度不能太弱，具體表現在Tt /T1指標上。在實際工程設計中，應將結構豎向構件盡可能沿周邊布置，以提高結構的側向剛度和抗扭剛度。若在結構的形心附近加大豎向構件剛度，則只是對側向剛度的貢獻大，對抗扭剛度來說，貢獻甚微。

5、計算結果的分析、判斷

應采用至少兩個不同力學模型的結構分析軟件對不規則和復雜的建筑結構進行整體內力和位移分析，確定其可靠、合理之后，才可在工程設計中運用。分析時要注意以下幾點：非耦聯計算地震作用時，剪力墻結構自振周期一般在(0．04～O．08)n范圍內(其中n為結構計算總層數)；振型曲線光滑連續，零點位置符合一般規律；耦聯計算時，扭轉為主的周期應不大于平動為主的周期的0.9或0.85倍。結構布置較正常的剪力墻結構，底部總剪力值應大致在v0=aG的范圍內(其中a為合適范圍系數，G為結構總重)。對于8度設防抗震區的剪力墻結構，合適范圍系數一般為：Ⅱ類土a：(4～8)％；Ⅲ類土a=(6～9)％。對稱結構在對稱外力作用下，其對稱點的內力與位移也應是對稱的。豎向剛度、質量變化較均勻的結構，在較均勻外力作用下，其內力及位移等計算結果自上而下不應有大的突變。

4 小結

在剪力墻的結構設計過程中，既要遵循“強墻肢弱連梁、強剪弱彎、限制剪壓比、限制軸壓比”等原則將其設計成延性結構，還須遵循“設置底部加強部位、設置約束邊緣構件、避免小剪跨比”等原則設計延性構件，將延性設計貫穿于工程設計的每一階段，最終在滿足建筑功能的前提下，使建筑物有合理的結構和良好的延性。

參考文獻

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