談高層住宅樓剪力墻結構設計

吳獻強

【摘要】作者以工程實例為例，運用SATWE建立計算模型，對高層住宅剪力墻的結構力學性能計算的各項指標進行了分析、比較，得到較為符合實際的動力性能和結構布置，且通過整體分析，探究了影響剪力墻結構設計的重要因素，并對剪力墻的約束邊緣構件部分設計中常出現的問題進行了總結。

【關鍵詞】剪力墻結構；高層建筑；結構分析；SATWE 有限元軟件

引 言

剪力墻的水平剛度大，在風荷載或者小震作用下較容易防止高層結構的側向位移導致的剪切破壞，它是主要的抗風抗震結構構件，控制好剪力墻結構的水平位移和地震力這兩個因素，便可以合理的布置剪力墻的位置和數量。

SATWE是為高層結構分析與設計而研制的空間組合結構有限元分析軟件。本文分析運用它實現了剪力墻與樓板的模型，使高層結構的簡化分析模型盡可能的使結構的受力狀態更真實。

1 剪力墻設計概念

1）剪力墻高和截面高度尺寸較大但截面厚度較小，幾何特征像板，受力形態接近于柱，而與柱的區別主要是其截面高度與厚度的比值，當比值小于或等于3時宜按框架柱進行截面設計，當墻肢截面高度與厚度之比在2～4時可視為異形柱，按雙向受壓構件設計，當墻肢截面高度與厚度之比在5～8時為短肢剪力墻，當墻肢截面高度與厚度之比大于8時為一般剪力墻。

2）剪力墻結構中，墻除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。

3）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。壁式框架：當剪力墻開洞過大時形成寬梁、寬柱組成的短墻肢，構件形成兩端帶有剛域的變截面桿件，在內力作用下許多墻肢將出現反彎點，墻已類似框架的受力特點，因此計算和構造應按近似框架結構考慮。

2 剪力墻實例設計及計算分析

文章依據某住宅小區33 層純剪力墻結構住宅樓。總建筑面積約27143.4 m2 ，建筑層高3.0 m，室內外高差0.45 m，建筑高度99.45 m。為比較剪力墻布置方式對主體結構性能的影響，擬定兩個方案，方案一： 剪力墻上開洞的大小按照建筑圖的洞口布置來建立模型，即飄窗處設高連梁（ 部分位置按照施工要求設置構造洞口，從而方便施工，如在兩個分戶單元山墻上開洞） ； 方案二： 在方案一中墻肢很長剪力墻上開設尺寸較大的結構洞，如把一字形的截面改為L 形或T 形截面，將飄窗處的窗臺改為加氣混凝土砌塊。

計算開始之前，根據規范選取正確的參數設置正確的特殊構件，如振型組合數，最大地震力作用方向，結構基本周期，周期折減系數，連梁剛度折減系數，框架梁剛度放大系數，偶然偏心等的參數。規范用于控制結構整體性的主要指標常用： 剛重比和位移比，以及剪重比與周期比、相鄰層間剛度突變等。通過幾項主要指標相比，分析出兩個方案不同的剪力墻平面布置方式對整體結構的受力性能的影響。

進一步研究了在不同設防烈度區，相同的剪力墻結構在地震作用下反應規律，分別計算在6 度和8 度區結構對地震的反應，隨著地震烈度的增大，剪力墻所受的地震作用也隨之增大，但高烈度地區的地震影響作用比低烈度地區的地震影響作用增大很多，因此在地震作用下位移和位移角也隨之變大。兩方案在6 度區時整體主要技術指標均滿足規范要求，兩種方案的差別不大，都比較理想。但相對而言，方案二比方案一的技術指標更為合理。在8 度這樣的高設防烈度地區時，方案一較方案二更容易滿足位移比的要求。

綜合以上兩方案設計分析對比，得出剪力墻的平面布置方法和開洞的方法對結構的整體受力性能和造價有較明顯的影響，其主要表現在以下三點：

1） 動力特性方面

結構的整體剛度較小時，方案的第一平動周期明顯變大，平動周期與扭轉周期之比變化不明顯。方案一中第一平動周期與第一扭轉周期值的比值均小于0.9。方案二通過在剪力墻上增大原有洞口或開設結構洞，使結構剛度變柔，從而增長了周期，說明結構布置更加合理。

2） 結構受力方面

方案二結構所受的剪力和基底彎矩都小于方案一。因此減小結構剛度，使結構周期變長，從而有效地減少了地震力。

3） 結構變形方面

兩方案中結構的位移變形指標均滿足規范中相應要求。在6 度設防時，方案二的最大層間位移角比方案一有明顯改進。但最大變形均發生在荷載工況為風載作用時，說明6 度區時高層建筑的層間位移主要由風荷載控制，設計時應將風荷載作為最首要影響因素考慮。隨著地震烈度的提高，結構所受的地震作用也隨之增大。地震作用超過風荷載作用從而成為主要影響因素。因此在8 度區時方案一的層間位移比方案二更容易滿足規范的要求，且采用方案一時剪力墻的數量還可能進一步減少，以充分發揮建筑的空間性能的要求。

3 剪力墻結構設計中常見其他問題

剪力墻作為主要的水平抗震構件，它的平面剛度大，平面尺寸較小，在設計中容易滿足結構尤其是高層結構的側向位移限制和使用功能的要求，但隨著結構的水平剛度增大，剪力墻承受的地震水平力也隨之增大； 經研究機構相關的實驗表明，在有橫向鋼筋約束的剪力墻結構中，可增強剪力墻的延性。通過合理的設置邊緣構件的配筋范圍、配箍量以及配筋形式可以做到相比不設置邊緣構件，整體結構的耗能能力可提高約20%，極限承載力可提高約40%。另外，轉角窗的設置會使得剪力墻的抗側力剛度、自振周期、地震作用以及結構的整體受力性能均有一定的削弱，同時，其外墻內力明顯增大； 因此盡量避免設置轉角窗，如設置時應采取一定的加強措施，在實際工程設計中采取的措施有：

1） 將轉角窗處的樓板厚加為120 mm，且雙層雙向配筋；

2） 轉角窗處從底到頂設置約束邊緣構件。開洞截面高度及連梁跨度的大小對結構的整體影響比較明顯，不容忽視，在工程實際設計中應根據具體情況，調整連梁的跨高比，使設計盡可能優化，符合規范要求。

4 結論及建議

1） 高層建筑結構應盡量選擇合理的結構體系，平面形狀上力求規則、對稱、避免凸凹不規則，滿足抗震規范的要求； 縱向剛度盡量做到連續，避免層間豎向構件不連續，盡可能保證良好的抗震性能。

2） 通過兩方案結構受力情況的比較得出，兩方案均有比較好的剛度，在風荷載或者地震作用下不產生較大的水平位移，通過合理布置墻體，使結構受力更加安全、合理。

3） 當剪力墻結構剛度較大時，通過減少局部的一般剪力墻或開設結構洞等措施，可有效減小兩個方向的剛度，從而減少水平構件所受的地震力，達到安全性和經濟性的較好統一。

參考文獻：

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