高層鋼筋混凝土剪力墻結構抗震分析

【摘要】剪力墻作為高層鋼筋混凝土結構的主要抗側力構件，在地震作用下的受力特性直接影響結構在整個地震過程中的工作狀態。本文討論了剪力墻肢主要出現形式-聯肢墻在地震作用下的受力特點，以及剪力墻如何實現在地震作用下表現良好的抗震抗剪性能。文中還專門分析了高長比較大的高層鋼筋混凝土結構的剪力墻底部截面廣義剪跨比較小的理由。

【關鍵詞】高層；鋼筋混凝土；剪力墻；抗震結構

在現代高層建筑中，鋼筋混凝土剪力墻作為主要的抗側力試件之一，它在地震作用下的工作性能將直接影響整個結構的性能。從歷次震害來看，帶有鋼筋混凝土剪力墻的高層建筑從總體上講，破壞程度較輕、可修復性高，這是由鋼筋混凝土剪力墻剛度大、側向變形小的特點決定的。但這些都要以剪力墻在整個地震過程中良好的工作狀態為前提，而剪力墻的良好的工作性取決于其受力特性。側向剛度大的特點決定了剪力墻在地震作用下承擔了絕大部分水平作用，而大多數剪力墻都是以聯肢墻的形式出現，其受力特點如圖1所示。

圖 1 水平荷載作用下聯肢墻中的彎矩分布

聯肢墻承擔的地震作用下產生的彎矩由三部分組成：①聯肢墻兩肢的拉壓軸力形成的力偶；②各個墻肢本身的抗彎能力所承擔的彎矩；③聯肢墻中的連梁所承擔的彎矩。三者中墻肢拉壓形成的力偶屬于整體作用，占比例最大，各個墻肢的抗彎能力所承擔的部分次之，所以剪力墻墻肢的抗彎能力容易得到保證。地震作用產生的剪力由各個墻肢截面本身的抗剪能力來承擔，因此剪力墻肢的抗震抗剪性能就成了抗震剪力墻的關鍵問題。

一、剪力墻抗震抗剪性能分析

最早的素混凝土墻和弱分布筋混凝土墻雖然平面內的剛度大，但因混凝土抗拉強度低，加之墻的高長比不大，多屬于“矮墻”，在地震作用下很容易發生以較寬交叉斜裂縫形式出現的剪切破壞，曾使人認為平面內受力的墻屬于抗震性能不好的“脆性構件”。隨著最早一批對配有一定數量水平及豎向分布筋的墻在平面內的低周往復抗剪性能試驗的完成，開始認識到配筋合理的剪力墻在抗震條件下能具有所需的抗剪能力，特別是剪力墻的高長比增大后，已有可能把在平面內承受地震作用的剪力墻設計成不會先期發生剪切破壞的延性構件。所謂合理的配筋即是賦予剪力墻以合適的抗剪能力，而剪力墻的抗剪能力與剪力墻截面的廣義剪跨比也有關系。至于剪力墻抗剪能力在什么水平才為合適，曾引發過一系列的爭論。

曾有人提出應使抗剪能力大于抗彎能力，即不允許構件在正截面完全失效之前發生剪切破壞。但各國學術界占優勢的看法是，這一要求過嚴，因為從延性設計角度允許剪力墻控制截面在強震下進入屈服后變形狀態，但并不允許截面達到正截面強度極限，因此抗剪能力只要能可靠地維持到強震下預計的非彈性變形狀態就已足夠。因此剪力墻的抗震抗剪性能要求應是使墻肢在縱筋屈服后的非彈性動力反應循環變形過程中的非彈性變形達到抗震所需的某個延性水準之前不發生剪切失效。即在試驗中應保持構件在縱筋未屈服前不發生剪切失效，并研究在縱筋屈服后構件能把抗剪能力維持到多大的非彈性變形水平。

曾有人誤以為高長比相當大的剪力墻肢中的剪跨比肯定很大。但經分析實際工程中這類高長比很大的剪力墻肢后發現情況并非如此。這是因為剪力墻在抗震多、高層建筑中多是以框架-剪力墻的組合形式或是以聯肢墻形式，或是這兩者相結合的形式出現的。在框架-剪力墻結構（包括框架-核心筒結構）中，單獨受力時具有剪切型側向變形特征的框架在與單獨受力時具有彎曲型變形特征的剪力墻或具有彎-剪型變形特征的聯肢墻經各層平面內為無窮剛性的樓蓋的連接而共同工作后，中下部剪力墻會對框架側向變形起強烈制約作用，并承擔相當大比例的層剪力，而頂部幾層則變為由框架對剪力墻的側向變形起制約作用，框架承擔大部分層剪力（此時層剪力值已較小，故框架部分承擔的剪力并非過大）。在地震激勵的非彈性動力反應過程中，由框架對剪力墻的側向變形起制約作用的上部樓層數還會因高振型影響而增多。這是導致剪力墻下部受一個方向彎矩作用的范圍減小，下部樓層彎矩變化梯度增大的第一個原因。

在圖2給出了本學科點經非彈性動力反應分析求得的某24層框架-剪力墻結構在相當于8度0.3g區罕遇水準的ElCentro波輸入下底部截面彎矩最大時刻、剪力最大時刻的剪力墻肢彎矩圖和剪力圖，從中可以看出彎矩反號的樓層已在偏下部。另一方面，當剪力墻是以聯肢墻的形式出現時，由于水平地震作用所產生的傾覆力矩中相當一部分是由墻肢軸力所構成的截面整體抗彎能力來抵抗的，這使得墻肢本身抵抗的彎矩明顯減小，但由墻肢承擔的水平剪力并未減小。這也是導致墻肢中廣義剪跨比偏小的另一個重要原因。這也是國外所做的剪力墻抗剪試驗研究很大一部分都是以較小剪跨比的試驗構件。

圖2

二、結論

1、經過合理設計的剪力墻能夠達到較好的延性，合理設計指的是使抗剪能力介于抗彎屈服和抗彎極限承載能力之間，使剪力墻在抗彎屈服后，達到需求的非彈性變形后發生剪切破壞（未達到截面的抗彎極限承載能力）。

2、高長比很大的鋼筋混凝土高層結構中的剪力墻底部截面剪跨比很小，在地震作用下剪力墻的破壞形式多為底部在反復荷載作用下發生剪切破壞。

參考文獻：

[1]吳雁江.工字形截面鋼筋混凝土墻抗震抗剪性能試驗研究[D].重慶：重慶大學，2012.

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