鋼筋混凝土剪力墻錯層結構的設計方法

吳金祥

摘要：隨著人們生活水平不斷提高，對居住環境的要求越來越高，錯層式住宅以其空間高低錯落有致、使用合理、居住舒適等優點，越來越受到人們的青睞，這種錯層式住宅多采用剪力墻結構。錯層剪力墻結構使剪力墻形成錯洞墻，導致結構剛度不規則，對結構抗震有不利影響，尤其對平面不規則和扭轉效應顯著的錯層結構破壞特別嚴重。本文主要對鋼筋混凝土剪力墻錯層結構的設計方法進行了探討，希望對相關人士有所幫助。

關鍵詞：鋼筋混凝土、高層建筑、錯層剪力墻、結構設計

一、前言

高層建筑的剪力墻錯層結構空間變化豐富、層次感較強，極大地滿足了人們的心理要求，這些年來錯層剪力墻結構得到了廣泛的應用，但因其結構對抗震有著不利的影響而使用范圍受限，使得人們對其結構的發展提出了新的要求。對于高層住宅錯層剪力墻結構，首先應確定適合的性能化設計目標，為滿足性能化目標在各階段的要求，采取合理的計算程序對結構進行詳細的分析，包括整體彈性分析、彈性動力時程分析和重要構件的中震不屈服分析，這些分析的結果又用于控制結構的設計和指導結構的進一步設計，同時采取合理的抗震構造措施，使整個結構滿足規范的要求。

二、高層建筑錯層剪力墻結構概述

剪力墻是一種工程常見結構體系，由于建筑功能要求，剪力墻常有不規則的門窗洞口，這樣布置洞口就把一個單肢分成了不規則單（多）肢錯層剪力墻，這些不規則錯層對剪力墻構件的有效剛度存在較大影響。剪力墻的性能取決于兩個方面：第一，組成剪力墻的墻肢的強弱；第二，各墻肢之間聯系的強弱。若墻肢本身是弱的，那么即使它們之間的聯系很強，即連梁的線剛度很大，整個結構的性能是弱的，體現出強梁弱墻式的性能，整體性不好；相反若墻肢是強的，但是它們之間的聯系很弱，結構相當于用若干根桿件聯系幾片懸臂墻，整體性仍然不好。隨著人民生活水平的提高，民眾對居住環境的要求也越來越高。錯層式住宅有著空間高低錯落有致，使用合理，居住舒適等優點，被越來越多的采用。這種錯層式住宅多采用剪力墻結構。錯層剪力墻結構使剪力墻形成錯洞墻，導致結構剛度不規則，對結構抗震有不利影響，尤其對平面不規則和扭轉效應顯著的錯層結構破壞特別嚴重。JGJ3-2002《高層建筑混凝土結構技術規程》建議在抗震設計時高層建筑宜避免錯層，同時也對錯層結構的概念設計，建模計算以及抗震構造措施等設計方法。

三、剪力墻設計的基本概念

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。

2、剪力墻結構中，墻是平面構件，除承受水平剪力和彎矩外，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；墻肢必須能防比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、墻的設計計算是考慮水平和豎向作用下進行結構整體分析，求得內力后按偏壓或偏拉進行正截面承載力和斜截面受剪承載力驗算。

4、為了保證墻體的穩定性及便于施工，使墻有較好的承載力和地震作用下耗散能力。

四、高層結構的受力特點及影響因素分析

1、受力特點

（1）錯層框架結構的受力特點

錯層框架結構與框架結構的相比主要由于在錯層處錯開的樓層導致了在結構的一些部位形成豎向的短構件，使受力集中，不利于抗震。主要的原因可能是在同向受力中由于錯層構件剛度大，而產生內力集中。在錯層結構中，短柱問題應該得到足夠的重視。

（2）錯層框架剪力墻結構的受力特點

錯層框架剪力墻結構中的剪力墻承擔了水平力中的一大部分，特別是在地震作用下，錯層框架剪力墻結構有兩道設防線，能夠較好地改善錯層結構的受力性能。

2、影響因素分析

（1）水平荷載成為決定因素

一方面，因為樓房自重和樓面使用荷載在豎向構件中所引起的軸力合彎矩的數值，僅與樓房高度的一次方成正比；而水平荷載對結構產生的傾覆力矩以及由此在豎向構件中引起的軸力，是與樓房高度的二次方成正比；另一方面，對某一定高度的樓房來講，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數值則隨結構動力特性的不同而有較大幅度的變化。

（2）軸向變形不容忽視

與低層或多層建筑不同，結構側移已成為高層建筑結構設計的關鍵因素，隨著建筑高度增加，水平荷載作用下結構側向變形迅速增大，結構側移與高度呈現四次方關系上升。

（3）抗震設計要求更好

在高層建筑結構的抗震設防設計時，要考慮正常使用時的豎向荷載、風荷載，還必須使建筑結構具有良好的抗震性能，做到小震不壞、中震可修、大震不倒。

五、錯層剪力墻結構在高層中的應用的相關研究

研究表明，對于錯層結構，一般認為其不利的因素主要源于兩個方面：一是由于樓板被分成數塊，且相互錯置，在錯層構件中產生很大的變形和內力，削弱了樓板協調結構整體受力的能力；二是由于樓板錯層，使得錯層交接部位形成豎向短構件，可能在同向受力中因錯層構件剛度大而產生內力幾種，不利于抗震。短構件問題主要是針對多層框架結構，其不利于抗震的震害表現也多出現在多層框架中。對于以剪力墻為主要受力構件的高層住宅，規則的錯層對結構受力的影響有限，影響主要在于兩側有錯層連梁相連的墻體。結構的錯層會增大結構的抗側剛度，錯層構件在結構整體中所占的比例越大，則整體側向剛度增加幅度越大，但剪力墻結構抗側剛度增加的幅度相比于框架結構要小。相互錯層的相鄰樓板僅由中間的錯層柱或墻相聯系，相比較平面剛度極大的樓板，錯層柱或墻的彎剪剛度是個極小值，當結構受力時，結構兩部分將產生不協調變形，可能會在錯層柱或墻中形成較大的內力，錯層柱或墻的受力與兩部分的均與性有關。錯層剪力墻結構的試驗研究表明，由于錯層剪力墻結構整體成彎曲破壞，根據振動臺試驗和靜力試驗破壞結果，錯層剪力墻結構與一般剪力墻結構無大的區別。由此可知，錯層對剪力墻結構體系的影響有限，錯層剪力墻結構通過結構的合理布置和構造措施的加強，可以滿足抗震設計的要求。

六、結束語

錯層式剪力墻結構在高層住宅中被越來越多的開發商所采用，其優點是合理的利用不同的層高來滿足不同的使用功能對空間的要求。隨著科學技術的發展，這一結構設計將會越來越趨于科學合理，也將給建筑工程的 發展增添更加強大的動力。

參考文獻：

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