高層建筑混凝土剪力墻的結構設計探究

【摘 要】隨著我國社會經濟的飛速發展和城市化建設進程的加快，尤其是高層建筑的與日俱增和社會對抗震要求的逐漸重視，混凝土剪力墻結構在民用建筑尤其是高層建筑中已經得到了越來越廣泛的應用。本文針對高層建筑混凝土剪力墻的結構設計進行了淺要的分析。

【關鍵詞】高層建筑；混凝土剪力墻；結構設計

1. 引言：

隨著我國社會經濟的飛速發展和城市化建設進程的加快，尤其是高層建筑的與日俱增和社會對抗震要求的逐漸重視，混凝土剪力墻結構在民用建筑尤其是高層建筑中已經得到了越來越廣泛的應用。與框架結構相比，剪力墻結構更為寬敞、簡潔，不僅增加了使用面積，而且使用功能也更好，并能為住戶的自行改造提供足夠的靈活性。同時，剪力墻用鋼量較省，整體性好，結構剛度大，而且可以在高層住宅或賓館等居住型的建筑中，將居室或客房采用分隔墻來分為小間，此過程中通過將分隔墻與承重墻合二為一，因此相對來說也比較經濟。本文針對高層建筑混凝土剪力墻的結構設計進行了淺要的分析。

2. 高層建筑結構的受力分析

建筑結構通常主要是受到來自于垂直與橫向兩個方向的外力。多層建筑由于其高寬比較小，平面的尺寸較大，結構的高度較低，并且結構受到地震作用和風荷載作用也很小，因此在多層建筑的設計中主要是考慮如何來抵抗其垂直的荷載。然而隨著建筑物高度的不斷增加，其受力特點也同樣在逐步地產生變化，而在設計時則主要考慮垂直荷載、橫向荷載、結構展延性以及側向移動等方面。

2.1 垂直荷載。

通常高層建筑物的垂直荷載都較大，并會在柱中產生相當的垂直應力，以此來影響連續框架梁的彎矩，而且同時還會影響預制構件的下料長度。所以必須考慮其垂直荷載對其軸向變形的影響，從而對其下料長度作出相應的調整。

2.2 橫向荷載。

對于高層建筑來說，其在一定高度范圍內的垂直荷載基本上是固定的，但是包括來自地震作用與風荷載作用的橫向荷載值，則會隨著建筑結構動力特性的區別而導致較大的影響和變化。

2.3 結構延性。

與多層建筑相比，高層建筑的結構在碰到地震作用時，其所發生的變形就會大得多。為了保證建筑在其塑性的變形階段當中仍能具備較強的變形能力，就必須在結構的設計中采取相應措施來保證其結構展延性。

2.4 側向移動。

對于結構側向移動的控制是在高層建筑結構設計中的關鍵所在。而且隨著其建筑高度的逐漸增加，在橫向荷載作用下的結構側移變形就會隨其建筑高度的增加而迅速增大。針對高層建筑的這一特征，其在橫向荷載的作用下產生的側移就必須進行嚴格的控制。

3. 高層建筑混凝土剪力墻的結構設計

高層建筑結構中主要受力的構件包括框架梁、柱、樓板和剪力墻。其中作為垂直構件的混凝土剪力墻是其提供結構剛度的第一構件，它在高層建筑當中承受結構的絕大部分橫向荷載和垂直荷載。而當高層建筑的受力結構主體全部由剪力墻構件來構成時，就形成了通常所說的剪力墻結構。在剪力墻結構中單肢的剪力墻承擔了所有的橫向荷載和垂直荷載。混凝土剪力墻結構是一種較為優良的結構體系，屬于剛性結構，其剛度和強度都比較高并且具備一定的展延性，傳力也均勻直接，有不錯的抗倒塌能力和較高的整體性。高層建筑混凝土剪力墻的結構設計應從下述幾個方面來考慮。

3.1 合理的結構布置。

所有民用建筑的結構布置都應盡可能遵循簡潔、規則的原則，保證結構的質心與剛心相一致，而對于剪力墻結構來說，剪力墻的方案布置、墻肢的長短等均應合理。因為底部框架——剪力墻結構中的剪力墻屬于低矮墻，且其抗剪剛度相對較大，所以如果平面形式復雜、布置的墻肢較長，就很容易出現受力過于集中、局部剛度過大的現象，甚至往往出現只布置極少的剪力墻就能滿足上下層的抗側剛度比限值的情況。所以在剪力墻布置方案上必須要堅持對稱、均勻、周邊、分散的原則，且墻片不宜過長，墻片平面形式也不宜采用增強抗側剛度的“T”、“L”等平面形式，而應盡可能采用“一”字平面形式。同時還應控制好剪力墻的最大間距，以滿足規范的要求。縱向剪力墻還應在外縱軸布置好開窗洞的剪力墻，這樣就能大大增強其橫向抗傾覆的能力，以避免邊柱產生過大的拉力和壓力。

3.2 建筑高度和層數要求。

根據資料和研究證明，隨著樓層數的增加，剪力墻結構的震害將會加劇，所以規范對于結構形式為剪力墻結構的建筑物的高度和層數有著嚴格的限值要求。其中的建筑高度指的是從室外地面至檐口或者屋面板板面的高度，對于半地下室結構則從室內地面算起，而對于全地下室或者嵌固條件較好的半地下室則仍然應從其室外地面算起。對于那些帶閣樓的坡屋頂則應算至山墻的半高處。

3.3 抗震要求。

根據歷史上地震的記錄及其分析研究，之所以底層框架——剪力墻結構會產生嚴重的破壞，究其原因就在于其上部剛度和底層剛度之比太過于懸殊。因而導致當地震集中作用到底層時，就會因為底層剛度較上部結構要小得多而造成底層彈塑性的明顯且突出的集中變形的現象。所以控制上部剛度和底層剛度之比是非常關鍵的。對于不同的抗震設防烈度，抗震要求也有一定的區別。

3.4 底層框架柱布置。

如果剪力墻結構的底層是全框架的結構形式，那么在其內柱X、Y向軸線的砌體墻中均應設置構造柱或者框架柱，且其底部全框架結構的柱距不宜太大，一般要求控制在到八米以內，而且每根框架梁上最多只能設置一道非落地的剪力墻。從使用功能來講，通常底部全框架結構的民用建筑大部分為商住樓，而該跨對應的上部結構即可分割成兩個開間，無論上部結構是用作辦公還是住宅，該跨所對應的上部結構開間的尺寸都能夠達到填充砌體結構所能達到的功能，以此來控制每根框架梁上部僅設置一道非落地墻。與此同時考慮到大框架梁的梁高一般控制在梁跨的八分之一到五分之一，而如果柱距過大，就會使得梁截面及其配筋率出現超限，而且增加上部結構非落地墻的數量也會使這種現象趨于嚴重。

3.5 過渡層的設計。

對于存在過渡層或者轉換層的剪力墻結構，比如底層框架剪力墻結構，其過渡層或者轉換層的剪力墻墻體在地震中需要提供的抗傾覆力矩和抗剪切力最大，且其受力也最不利。除此之外，由于在垂直均勻荷載的作用下，過渡層或者轉換層的剪力墻墻體處于拉剪或者者壓剪的應力狀態，而一旦有橫向荷載作用時，過渡層或者轉換層的剪力墻墻體的橫向承載力及其抗裂性能都將相應地降低。根據試驗表明，在垂直和反復橫向荷載的作用下，過渡層或者轉換層的剪力墻墻體的橫向承載力大約會降低兩到三成。而如果按驗算一般墻體橫向承載力的方法，當其托梁的高跨比或者者垂直荷載較小時，就將會過高地估計過渡層或者轉換層剪力墻的抗震承載力，從而降低結構抗震的安全可靠性。因此過渡層或者轉換層應在每開間設置圈梁以及構造柱，以形成類框架體系，從而增強過渡層或者轉換層傳遞地震剪切力的能力，并大大增加其展延性以及耗能能力。

3.6 連梁設計。

剪力墻的連梁是一件耗能構件，因此它的剪切破壞將對抗震不利，并會使結構的延性大大降低。在設計過程中就要注意對連梁進行強剪弱彎的驗算，以保證連梁的剪切破壞晚于彎曲破壞。所以切忌人為來加大連梁的縱筋，這樣就有可能無法滿足其強剪弱彎的要求，也不能單純地認為加大箍筋就一定能保證其強剪弱彎的要求。因為當連梁不能滿足其截面控制條件時，一味盲目地增加箍筋必然會導致連梁在其箍筋還未充分發揮作用時就發生剪切破壞。而連梁截面的抗剪計算中，對于那些跨高比大于2.5的連梁，應注意將其剪力設計值乘以增大系數。

3.7 長墻肢的處理。

高層建筑剪力墻的結構還必須具備足夠的展延性，特別是對于呈高細形狀的剪力墻（即高寬比超過二）而言，就具有較好的展延性和彎曲破壞的屬性，從而能夠很好地避免發生脆性剪切破壞。然而在墻肢長度比較長的情況中，為了滿足其每個墻段的高寬比都超過二，就可以采取開洞的方式來將長墻分割成為獨立的、小而均勻的墻段。此外，當其墻段的長度較小時，因受彎而導致產生裂縫的寬度也比較小，這樣就可以充分地發揮出剪力墻墻體配筋的作用。另外對于剪力墻結構當中存在的不多的長度超過八米的剪力墻長墻肢而言，在理論計算當中其樓層的剪力絕大部分都是由這些剪力墻的長墻肢來承擔。因此在發生地震尤其是超烈度的強震時，這些長墻肢就是最容易遭到破壞的。而短墻肢則會因沒有足夠多的配筋，從而使整個墻面的結構遭到全面的破壞。為了避免這種不利的現象發生，因此對于大于八米的長墻肢，可以通過以下兩種方法來處理：

（1）采取開施工洞，也就是在施工的過程當中于墻上留洞，而混凝土結構完成時再砌筑填充墻體，從而將長墻肢分隔成為短墻肢。

（2）采取開計算洞，也就是在進行結構設計PK計算的過程中假設有洞，而在繪制施工圖時卻不留洞，從而通過這種特殊的計算方式來加強其它的短墻肢的配筋。對于這種方法而言一般適合用作地下室外墻等不允許開施工洞的長墻肢。

4. 結語

只有合理的結構體系才能保證建筑結構的經濟性和安全性，因此設計人員應當遵循規范的要求以及甲方的需要，來選擇合理的結構體系。而在剪力墻結構設計中，整個體系的剪力墻布置和調整過程就是一個逐步優化的過程，直到按照周邊均勻對稱的原則將結構體系的位移與剛度趨于最合理，才能使材料發揮最大的效能。其中的連梁作用不可忽視，其剛度將直接影響整個剪力墻結構的整體剛度。尤其不可盲目增大某一個或幾個構件的剛度，以至于造成薄弱位置轉移甚至產生新的薄弱部位。

參考文獻

［1］ 蘇紹堅. 住宅樓剪力墻結構設計分析［J］．核工程研究與設計，2007（01）.

［2］ 杜艷玲.張大海. 淺談房屋剪力墻結構設計［J］．黑龍江科技信息，2010（04）．

［3］ 劉秋燕. 剪力墻結構與概念設計［J］．建筑設計管理，2010（03）.

［4］ 劉月云.楊曄琳. 高層民用建筑剪力墻結構設計體會［J］. 遼寧建材，2009（07）.

［5］ 薛云飛.馬曉霞. 談剪力墻結構設計中的幾個問題［J］．陜西建筑，2008（06）.

［6］ 李雪峰. 房屋剪力墻結構設計的思考［J］. 中國新技術新產品，2010（06）.

［7］ 王艷軍. 高層建筑剪力墻結構優化設計淺析［J］．山西建筑，2010（05）.

［8］ 陳崇岡. 高層建筑剪力墻結構的設計要點［J］. 中國高新技術企業，2010（15）.