高層建筑剪力墻結構設計的要點分析

周建國

(陽泉市規劃設計院，山西陽泉 045000)

隨著時代的發展，人們對建筑的質量和功能的要求越來越高，剪力墻結構正是在這種背景下應運而生。在施工實踐中，剪力墻結構抗側剛度大，能夠很好的提高建筑抗震能力、減少鋼材使用量，同時也能夠較好的優化建筑結構，剪力墻的應用越來越廣泛，但是隨著高層建筑形式的復雜化和多樣化發展，高層建筑剪力墻結構設計難度也在不斷增加。

1 剪力墻及其結構特點

一般而言，建筑墻體結構按照受力的特點可以分為承重墻和剪力墻兩類，承重墻主要承受的是豎向荷載，而剪力墻主要承受的是水平方向的荷載，由于具有能夠抵抗水平地震作用，剪力墻也被稱為抗震墻。

剪力墻結構的優越性非常明顯。其側向剛度較大，在水平方向的荷載作用下不會有較大側移，承載力及抗側力較好，因能較好的承受豎向荷載和抵抗水平荷載而被廣泛應用于高層建筑結構中;剪力墻結構自重較大，對于吸收地震能量而言優勢明顯;另外，相較于梁柱結構而言，剪力墻和樓板組成的受力體系形成的建筑空間更為寬敞，其樓蓋是不設梁的平板結構，很大程度上使得凈高增加，建筑空間利用率提升。但是剪力墻也存在明顯的缺點。因其間距的限制，剪力墻不能形成太大的開間，如果是大空間的結構則不適合采用剪力墻結構;剪力墻的墻體比較密，制約了建筑平面和空間的布置，不適合大空間建筑功能的需求;此外，剪力墻結構體系造價比較高，施工技術也較為繁瑣。

2 高層建筑剪力墻結構設計要點

2.1 剪力墻連梁的設計

剪力墻的連梁是一種特殊構件，它不同于一般的梁。首先，在結構自重、正常荷載狀況下，以及存在風荷載和小震的狀況下，它能起到支承、聯系構件作用，并能承受荷載、聯系墻肢、增加剪力墻的剛度;其次，對于出現中型或大型震動的狀況下，可以通過自體的屈服及破壞來分散地震能量的破壞作用，是一種能耗構件。所以對于剪力墻連梁而言，首先在正常狀況下的彈性階段，要保證承載力足夠，不會形成較大的變形及裂縫。其次，它的剛度不能過高，便于在地震這種強載荷的作用下首先形成屈服和破壞，以便耗散能量。在結構設計中，鋼筋混凝土結構不是說鋼筋一定要多多益善，對于剪力墻連梁設計中這一點就非常明顯，但是為了保險起見，實際配筋時大家大都愿意將計算結果放大一些，這種思想在剪力墻連梁配筋時一定要摒棄。連梁配筋也是采用和普通梁構造類似的縱筋和箍筋，通常情況下做正常配筋就可以。如果工程對延性要求高時，應采用斜交叉配筋。如果連梁存在超筋，可按照以下做法處理:1)降低連梁截面高度;2)對連梁的剪力設計值進行塑性調幅;3)在計算模型中將該連梁取消，計算與該連梁相連的墻肢配筋面積，選擇兩個模型該墻肢計算結果值較大的進行配筋。剪力墻的剛度和強度必須符合設計要求，才可實現連梁與墻體的協調。連梁能夠起到加固連接墻肢和加強剪力墻剛度的作用。在做剪力墻結構整體設計時要對連梁所具有的剛度進行適當的折減，折減值要大于0.5，取值范圍在0.6～1.0之間為佳。折減剛度后，如果出現斜截面受剪承載力和正截面受彎承載力降低狀況，為避免地震效應的影響，要采用降低整體剛度、減小連梁高度的方式。針對高層建筑中大面積剪力墻的大范圍墻體應當合理增加配筋量，特別注意建筑中的溫度變化敏感裝置和連梁位置，配筋的數量要能夠確保剪力墻結構的整體穩定。高層剪力墻的豎向配筋，主要是適量增加剪力墻邊緣的鋼筋數量以加強墻體的抗彎承載力。

2.2 剪力墻結構的布置

一般而言，鋼筋混凝土剪力墻結構載荷通常來自于風載荷、豎向載荷以及水平地震力等。剪力墻結構的布置，首先要考慮建筑功能需求，合理確定結構軸線，做好規則的對稱布置。剪力墻布置首先要滿足建筑物空間的要求，在此基礎上使剪力墻均勻的布置在建筑物的平面和豎向位置，理論上滿足平面方向抗側剛度接近、豎向則剛度連續。平面的剪力墻布置方式應該簡單易行，雙向布置，長度應合理，如果剪力墻較長，應采用設置連梁的方式將其劃分為均勻的墻段，墻段長度應小于8 m，每個墻段的高度與其長度比以大于3為宜。剪力墻不應布置的過密，以降低結構的自重。如果墻段長度超過了8 m，應采取以下的處理方法:1)為了保障墻體的延性，可在墻上設置結構洞。2)為了保證在地震作用下超長墻體首先發生破壞后，周邊其他的墻體的承載力足夠大，應在計算周邊其他墻體和暗柱配筋時把超長墻作斷開處理。豎向的剪力墻布置，應遵循從下到上進行連續布置的方式，使門窗、洞口對齊成列，避免存在洞口寬度懸殊以及疊合錯洞現象。如果不能避免錯洞，則要利用有限元法進行嚴謹的計算，并于洞口四周采取有效的加強措施。

剪力墻結構的布置，首先要考慮豎向構件的布置，同時要保證結構的對稱性要求，為避免較為嚴重的扭轉效應出現，應著重做好以下方面:1)保證剪力墻結構體系整體剛度。若是無控制性的增加剪力墻結構剛度，盡管能夠縮短工期，同時會使地震力增大，也極大的耗費了施工材料。地震力增大的后果勢必會造成連梁超筋、墻肢部位抗剪性能下降。2)結構中要避免獨立小墻肢的出現。因為獨立墻肢的出現會增加施工難度。結構設計中可采用合理布置建筑剪力墻以及合并洞口的方式。對于短肢剪力墻結構要做好合理選擇。盡管短肢剪力墻結構能夠降低結構的自重，同時極大提高結構布置的靈活性，但對于結構的抗震性能還是有影響的，不利于保障建筑結構的穩定和安全。3)剪力墻結構的布置應盡量選用帶翼緣的T形和L形墻肢，并控制好肢的軸壓比，增加縱向箍筋和鋼筋的配筋率，從而增強墻肢抗震能力;為形成明顯的連梁和墻肢，墻肢在開洞時要做到上下對齊，布置要成列。4)剪力墻結構的布置要避免樓板主梁平面安置于剪力墻上，如果必須要安置的話，要在剪力墻的合理位置放置暗梁。此外，連梁作為一種耗能構件，可能在地震情況下破壞，在作樓面梁的布置時，應避免將樓面梁支承在連梁上。

2.3 底部加強部位設計

在剪力墻結構設計過程中，對于普通的高層剪力墻結構，在進行結構設計時，可將底部兩層高度與嵌固部位以上墻肢總高度的1/8這兩個數值中的較大值作為底部加強部位應有的高度。如果高層建筑結構的底部附帶有轉換層，可以根據墻肢總高度的1/8與框支層加上框支層以上2層的高度這兩個數值中，選擇較大值作為剪力墻底部加強部位應有的高度。

2.4 重視轉換層結構設計

當前，高層建筑結構越來越多樣化和復雜化，對于有些高層大樓一樓的上部和下部分別具有不同的使用功能時，就應該通過添加相應的轉換構件的方式，改變結構布置，使得上下結構之間形成良好的銜接，設置有轉換構件的樓層即是轉換層。在進行結構設計時，應盡量采取輕度較高和剛度較小的轉換結構形式，對于結構內部存在的薄弱部位和環節要認真分析研究，根據具體的結構分配內力特點來調整構件配件和內力設計，從而提高薄弱部位的整體性能。

2.5 其他應注意的問題

對于開間比較大的客廳現澆板，板厚在滿足結構要求外，也要將舒適度考慮進去，樓蓋豎向自振頻率要控制好，滿足規范要求。臥室、客廳中梁的布置要結合建筑的使用功能，保持建筑的整體美觀，同時避免壓頭梁，避免梁位于門洞上。另外，洗手間的荷載必須要將浴缸等設施的重量考慮進去。在住宅剪力墻結構中，如果電梯四周的墻體是混凝土墻體時，值得注意的是不要提前考慮電梯呼梯盒洞口的預留。如果電梯底坑底部要使用為其他功能性的房間時，要嚴格依據電梯廠家所提供的資料要求，計算電梯底坑的沖擊荷載，看電梯底坑板的厚度能否滿足設備安裝和建筑結構要求。地下室的頂板應將施工荷載考慮在內，此施工荷載可結合頂板覆土工序考慮。

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