試析高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設計

賈成武

[摘要]剪力墻結(jié)構(gòu)既抵抗側(cè)向力又承受豎向荷載，被廣泛運用于現(xiàn)代高層建筑。由于其截面高度大而厚度相對很小，有著承載力大和平面內(nèi)剛度大等優(yōu)點，但也具有剪切變形相對較大的不利性能。文章以高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設計作為論述重點，從結(jié)構(gòu)受力性能及規(guī)范相關條文進行了初步的探討。

[關鍵詞]剪力墻結(jié)構(gòu)、受力性能、抗震設計

[中圖分類號]F407.9 [文獻標識碼]A [文章編號]1672-5158（2013）06-0245-01

前言

剪力墻結(jié)構(gòu)是指用鋼筋混凝土墻代替框架結(jié)構(gòu)中的柱，以承受豎向荷載、抵抗水平荷載的結(jié)構(gòu)。其最大特點是能夠有效控制結(jié)構(gòu)水平作用。《建筑抗震設計規(guī)范》（2010年版，以下未注明處相同）稱之為抗震墻，本文按照工程界習慣稱作剪力墻。多數(shù)情況下，剪力墻截面高度大于其厚度8倍，厚度相對而言較薄，一般僅為200～300mm。因此，從墻體尺寸可以看出，其墻身平面內(nèi)抗側(cè)剛度很大，相反，平外面剛度卻很小。根據(jù)這一特點，在進行結(jié)構(gòu)方案布置時，墻體應當沿建筑物主軸方向均勻布置，利用平面內(nèi)較大剛度承受縱橫兩個方向的水平和扭轉(zhuǎn)作用。抗震設計中，要求在正常使用及小震作用下，處于彈性工作狀態(tài)；在中等強度地震作用下，允許進入彈塑性狀態(tài)，但應具有足夠承載力、延性；在強震作用（罕遇烈度）下，不應出現(xiàn)倒塌。此外還應保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。現(xiàn)通過對剪力墻結(jié)構(gòu)中抗震設計的相關要素分析，希望和廣大結(jié)構(gòu)設計人員進行交流，共同進步。

受力性能

（1）整體墻和小開口整體墻

由于沒有洞口或洞口很小，此類墻可以看作是一個整體懸臂墻。在軸向壓力和水平力作用下，懸臂墻破壞形態(tài)主要是彎曲破壞。彎曲破壞又分為大偏壓和小偏壓破壞，要設計成“延性剪力墻”就是要把剪力墻的破壞形態(tài)控制在彎曲破壞中的大偏心破壞范圍。從墻體尺寸而言，細高的剪力墻（高寬比大于）容易設計成彎曲破壞的延性剪力墻。另外，墻肢的平面長度（即墻肢截面高度）不宜大于8米。當一個結(jié)構(gòu)單元中有少量長度大于瞇的大墻肢時，計算中樓層剪力主要由這些大墻肢承受。一旦地震，尤其是在罕遇烈度地震時，大墻肢容易首先遭受破壞，而小的墻肢又無足夠配筋，使整個結(jié)構(gòu)可能形成各個擊破。當墻的長度很長時，可以開設洞口，將長墻分成較小長度、較均勻的肢墻，保證均勻受力。

（2）連肢墻

實際工程中，剪力墻經(jīng)過門窗分割形成連肢墻。洞口上下部位是連梁，洞口左右部位是墻肢。連肢墻的設計應把連梁放在抗震第一道防線，在連梁屈服前，不讓墻肢破壞。連梁自身要做到受剪承載力高于彎曲承載力。目的就是“強肢弱梁”和“強剪弱彎”。無論是在整體的開洞剪力墻設計，還是在連梁、墻肢等局部構(gòu)件上的設計，都體現(xiàn)上述原則，才能保證墻肢安全。當連梁破壞時，結(jié)構(gòu)會繼續(xù)承載，直至墻肢截面屈服。

結(jié)構(gòu)設計

（1）強剪弱彎

為避免脆性剪切破壞，應按照”強剪弱彎”的要求設計剪力墻墻肢。一般的方法是將剪力墻底部加強部分的剪力設計值增大，提高抗剪承載力。《建筑抗震設計規(guī)范》6.2.8條規(guī)定了各個抗震等級剪力墻底部加強部位的剪力設計值應乘以不同的剪力增大系數(shù)，以此進行抗剪配筋設計，從而實現(xiàn)“強剪弱彎”的結(jié)構(gòu)受力性能。

（2）加強底部塑性鉸區(qū)

一般在底部剪力墻彎矩最大，底截面鋼筋屈服后會形成塑性鉸區(qū)。而且，塑性鉸區(qū)（分布于一定范圍）是剪力最大部位，在反復荷載作用下，會形成交叉裂縫，可能出現(xiàn)剪切破壞。所以在塑性鉸區(qū)要采取加強措施，即底部加強部位。《建筑抗震設計規(guī)范》6.1.10條規(guī)定了底部加強部位的具體高度要求。目的就是提高受剪承載力，加強抗震的構(gòu)造措施，提升結(jié)構(gòu)的彈塑性變形能力。

（3）限制軸壓比

為保證剪力墻延性，避免截面上受壓區(qū)高度過大而出現(xiàn)小偏壓情況，應當控制剪力墻加強區(qū)截面相對受壓區(qū)高度，但截面受壓區(qū)高度與截面形狀有關，實際工程中剪力墻截面復雜，會增加計算受壓區(qū)高度的困難。為此，《建筑抗震設計規(guī)范》采用簡化方法，限制截面的平均軸壓比。計算軸壓比時，規(guī)范采用了重力荷載代表值作用下的軸力代表值，即考慮重力荷載分項系數(shù)1.2后的最大軸力設計值。《建筑抗震設計規(guī)范》6.4.2條具體要求了各個抗震等級下的墻肢軸壓比限值。在這里筆者想說明，2010年版《建筑抗震設計規(guī)范》6.4.2條較之前版本規(guī)范，增加了剪力墻抗震等級三級時0.6的軸壓比限值要求（之前版本對抗震等級三級無軸壓比限值要求）。

（4）設置邊緣構(gòu)件

邊緣構(gòu)件分為約束邊緣構(gòu)件和構(gòu)造邊緣構(gòu)件兩類。約束邊緣構(gòu)件是指用箍筋約束的暗柱，端柱和翼墻，其箍筋較多（配箍率特征值相對較大），對混凝土的約束較強；構(gòu)造邊緣構(gòu)件的箍筋較少，對混凝土約束較差或沒有約束。剪力墻墻肢的塑性變形能力和抗地震倒塌能力，除了與縱向鋼筋有關外，還與截面形狀、截面相對受壓區(qū)高度（軸壓比），墻梁端的約束范圍、約束范圍內(nèi)的箍筋配箍特征值有關。當截面相對受壓區(qū)高度（軸壓比）大到一定時，需要設置約束邊緣構(gòu)件，使墻肢端部成為箍筋約束混凝土。《建筑抗震設計規(guī)范》6.4.5條對邊緣構(gòu)件的尺寸、配筋都做了具體的說明。特別是6.4.5-2款規(guī)定了“一、二、三級抗震墻，以及部分框支抗震墻結(jié)構(gòu)的抗震墻，應在底部加強部位及相鄰的上一層設置約束邊緣構(gòu)件，在以上其他部位可設置構(gòu)造邊緣構(gòu)件。”這一點剛好就和本文之前提到的“加強底部塑性鉸區(qū)”一節(jié)相呼應，可以看出，通過設置約束邊緣構(gòu)件，可以提高墻肢端部混凝土極限壓應變、改善剪力墻延性。

（5）控制墻肢截面尺寸

剪力墻墻肢截面厚度，除了要滿足承載力的要求外，還要滿足穩(wěn)定和避免過早出現(xiàn)斜裂縫的要求。一股情況下，把穩(wěn)定要求的厚度稱作最小厚度，通過構(gòu)造滿足。在實際結(jié)構(gòu)體系中，

樓板以及與剪力墻平面外相交的剪力墻，是剪力墻的側(cè)向支撐，可防止剪力墻失穩(wěn)。通常情況下，剪力墻最小厚度由樓層高度控制。《建筑抗震設計規(guī)范》6.4.1條規(guī)定了剪力墻最小厚度要求。設計時需留意。另外，就是本文之前提到過的墻段高寬比不宜小于3，《建筑抗震設計規(guī)范》6.1.9條也做了具體的要求。

（6）配置分布鋼筋

《建筑抗震設計規(guī)范》6.4.3條對剪力墻內(nèi)分布鋼筋的配置提供了具體說明。特別是6.4.3-1款：“一、二、三級抗震墻的豎向和橫向分布鋼筋最小配筋率均不應小于0.25%，四級抗震分布鋼筋最小配筋率不應小于0.20%。”剪力墻中，分布鋼筋的作用主要是：抗剪、抗彎、減小收縮裂縫等。如果豎向分布鋼筋過少，墻肢端部的縱向受力鋼筋屈服后，裂縫將迅速開展，裂縫的長度、寬度都較大；如果橫向分布鋼筋過少，斜裂縫一旦出現(xiàn)就發(fā)展成主要斜裂縫，剪力墻將沿斜裂縫被剪壞。因此，墻肢的豎向和橫向分布鋼筋最小配筋率是根據(jù)限制斜裂縫開展要求確定的。

結(jié)束語

剪力墻結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，且結(jié)構(gòu)布置靈活，可以很大程度減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件對建筑的使用影響，所以高層住宅較多使用這種結(jié)構(gòu)形式。在抗震設計中，針對剪力墻結(jié)構(gòu)受力體系及相關規(guī)范條文進行分析理解，合理采用計算分析方法，并采取相應構(gòu)造措施，相信剪力墻結(jié)構(gòu)能夠以更加經(jīng)濟、實用的優(yōu)勢展現(xiàn)在住宅設計中，具有更廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻

[1]施嵐清——注冊結(jié)構(gòu)工程師專業(yè)考試專題精講建筑抗震設計機械工業(yè)出版社2011

[2]GB50011-2010，建筑抗震設計規(guī)范北京：中國建筑工業(yè)出版社2010