高層建筑剪力墻結構的合理設計

摘要：近些年來，我國的城市化進程不斷加快，在我國城市建設過程中，高層建筑的地位更加重要，剪力墻結構一直是高層建筑最為主要的結構形式，因此，剪力墻結構一直都受到了人們的廣泛關注，對高層建筑剪力墻結構進行合理設計已經成為了必然趨勢，本文中，筆者就對自身多年的工作經驗進行總結，探討高層建筑剪力墻結構的合理設計。

關鍵詞：高層建筑；剪力墻；結構設計；探討

利用建筑物的墻體作為豎向承重和抵抗側力的結構，稱為剪力墻結構體系。墻體同時也作為維護及房間分隔構件。剪力墻結構體系包括框架-剪力墻體系、剪力墻體系、核心筒及筒中筒體系。現澆鋼筋混凝土剪力墻結構的整體性好，剛度大，在水平力作用下側向變形很小。墻體截面面積大，承載力要求也比較容易滿足，剪力墻的抗震性能也較好。因此，剪力墻結構體系在我國高層建筑中得到廣泛應用。

剪力墻結構中，墻是一平面構件，它承受沿其平面作用的水平剪力和彎矩外，還承擔豎向壓力；在軸力，彎矩，剪力的復合狀態下工作，其受水平力作用下似一底部嵌固于基礎上的懸臂深梁。在地震作用或風載下剪力墻除需滿足剛度強度要求外，還必須滿足非彈性變形反復循環下的延性、能量耗散和控制結構裂而不倒的要求：墻肢必須能防止墻體發生脆性剪切破壞，因此注意盡量將剪力墻設計成延性彎曲型。實際工程中剪力墻分為整體墻和聯肢墻：整體墻如一般房屋端的山墻、魚骨式結構片墻及小開洞墻。整體墻受力如同豎向懸臂，當剪力墻墻肢較長時，在力作用下法向應力呈線性分布，破壞形態似偏心受壓柱，配筋應盡量將豎向鋼筋布置在墻肢兩端；為防止剪切破壞，提高延性應將底部截面的組合設計內力適當提高或加大配筋率；為避免斜壓破壞墻肢不能過小也不宜過長，以防止截面應力相差過大。聯肢墻是由連梁連接起來的剪力墻，但因一般連梁的剛度比墻肢剛度小得多，墻肢單獨作用顯著，連梁中部出現反彎點要注意墻肢軸壓比限值。設計剪力墻時，應根據各型墻體的特點，不同的受力特征，墻體內力分布狀態并結合其破壞形態，合理地考慮設計配筋和構造措施。

剪力墻布置除應符合規程中有關規定外，在本文中進一步對剪力墻的布置提出了一些要求：

1 雙向布置剪力墻及抗側剛度

高層建筑應有較好的空間工作性能，剪力墻結構應雙向布置，形成空間結構。在抗震結構中，應避免單向布置剪力墻，并宜使兩個方向抗側剛度接近，即兩個方向的自振周期宜相近。

另一方面，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，使結構具有適宜的側向剛度。

2 豎向剛度均勻

剪力墻布置對結構的抗側剛度有很大影響，剪力墻沿高度不連續，將造成結構沿高度剛度突變，所以應要求剪力墻自上到下連續布置。允許沿高度改變墻厚和混凝土等級，或減少部分墻肢，使抗側剛度沿高度逐漸減小。

3 墻肢高寬比

細高的剪力墻容易設計成受彎曲破壞的延性剪力墻，從而可避免脆性的剪切破壞。在抗震結構中剪力墻結構應具有延性，設計中墻的高寬應比不應小于2。當墻的長度很長時，為了滿足每個墻段高寬比大于2的要求，可通過開設洞口將長墻分成長度較小、較均勻的獨立墻段，每個獨立墻段可以是整體墻，也可以是聯肢墻。

4 剪力墻洞口的布置

剪力墻洞口的布置，會極大地影響剪力墻的力學性能。因此，布置剪力墻洞口時應滿足以下3方面要求。

（1）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。同時宜避免使墻肢剛度相差懸殊的洞口設置；

（2）對于錯洞剪力墻和疊合錯洞墻，二者都是不規則開洞的剪力墻，其應力分布復雜，容易造成剪力墻的薄弱部位，常規計算無法獲得其實際內力，構造比較復雜。其主要特點是洞口錯開距離很小，甚至疊合，不僅墻肢不規則，洞口之間形成薄弱部位，疊合錯洞墻比錯洞口墻更為不利，設計時應盡量避免。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的剪力墻或框架結構；

（3）具有不規則洞口剪力墻的內力和位移計算應符合規程的有關規定。目前除了平面有限元方法外，尚沒有更好的簡化方法計算。對結構整體計算中采用了桿系、薄壁桿系模型或對洞口作了簡化處理的其他有限元模型時，應對不規則開洞墻的計算結果進行分析、判斷，必要時應進行補充計算和校核。

5 剪力墻和加強部位

（1）抗震結構中出現塑性鉸的部位應作為加強部位。而剪力墻頂層、樓電梯間墻等不宜作為加強部位，這樣作的目的是對塑性鉸部位可以有更明確的措施，與由于溫度、收縮等需要的加強措施區別；

（2）剪力墻塑性鉸出現后，剪力墻應具有足夠的延性，剪力墻底部塑性鉸出現都有一定范圍，該范圍內應當加強構造措施，提高其抗剪切破壞的能力；

（3）為安全起見，設計剪力墻時將加強部位范圍適當擴大，抗震設計時，一般剪力墻結構底部加強部位的高度可取墻肢總高度的1/8和底部兩層二者的較大值，當剪力墻高度超過150m時，為避免加強區太高，其底部加強部位的高度可取墻肢總高度的1/10。

短肢剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比為5～8的剪力墻，一般剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比大于8的剪力墻，高層建筑結構不應采用全部為短肢剪力墻的剪力墻結構。對于短肢剪力墻設計中應著重以下加強措施。

（1）為限制過多的剪力墻的數量，在抗震設計時，筒體和一般剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩不宜小于結構總底部地震傾覆力矩50%；

（2）抗震設計時，短肢剪力墻的抗震等級應比規范中規定的剪力墻的抗震等級提高一級采用；目的是從構造上改善短肢剪力墻的延性；

（3）出于改善延性的考慮，抗震設計時，各層短肢剪力墻在重力荷載代表值作用下產生的軸力設計值的軸壓比，抗震等級為一、二、三時分別不宜大于0.5、0.6和0.7（對一般剪力墻，三級抗震等級時軸壓比未限制）；對于無翼緣或端柱的一字形短肢剪力墻，其延性更為不利，因此軸壓比限值要相應降低0.1；

（4）對于短肢剪力墻的剪力設計值，不僅底部加強部位應調整，其他各層也要調整，一、二、級抗震等級應分別乘以增大系數1.4和1.2，目的是避免短肢剪力墻過早剪壞；

（5）短肢剪力墻截面的縱向鋼筋的配筋率，底部加強部位不宜小于1.2%，其它部位不宜小于1.0%；

（6）對于短肢剪力墻截面最小厚度，無論抗震還是非抗震設計，其厚度都不應小于200㎜；對于非抗震設計，除要求建筑最大適用高度適當降低外，對墻肢厚度限制的目的是使墻肢不致過小。