高層建筑剪力墻結構設計的要點分析

龍嘉智

（銅仁市城鄉規劃勘測設計研究院　貴州　銅仁　554300）

高層建筑剪力墻結構設計的要點分析

龍嘉智

（銅仁市城鄉規劃勘測設計研究院貴州銅仁554300）

隨著科學技術的進步，建筑行業快速發展，要求建筑結構設計要樹立以人為本的發展觀念，而剪力墻結構在建筑工程中的利用越來越普遍。本文對高層建筑剪力墻結構設計的要點及優化設計措施進行分析。

高層建筑；剪力墻；結構設計

前言

現階段建筑行業為了滿足城市居民對高品質住宅建筑結構的需求，不僅使建筑物在外觀設計上追求樣式的創新，對于空間結構，在保證建筑物功能的基礎上設計更加趨于人性化、美觀化，在這種建筑時代背景下建筑師為了滿足城市居民對建筑結構的新要求，在建筑行業發展中不斷去創新建筑物的結構模式，而這便使剪力墻結構在建筑結構設計中得到了廣泛應用。剪力墻在實際應用中具有結構剛度大、整體性好、抗震性能強等特點，由于剪力墻結構的多項優點使其得到了建筑企業和業主的歡迎，但是建筑行業在實際應用中要認真分析其優點和缺點，這樣才能更好地提高剪力墻結構的綜合利用率。

1　剪力墻概述

剪力墻也稱抗風墻或抗震墻，如圖1所示，是房屋構筑物中承受風荷載或者地震作用水平荷載的承重墻體，能夠防止結構剪切的破壞。在立面上剪力墻常常因開門開窗，穿行管道而需要開設洞口，這時應盡量使洞口上下對齊，布置規則，使洞口至墻邊及相鄰洞口之間形成墻肢，上下洞口之間形成梁。規則成列開洞的剪力墻傳力簡捷，受力明確，受力鋼筋容易布置且作用明確，因而經濟指標較好。剪力墻截面特點是墻肢長度遠大于厚度，自身平面內具有很大的剛度和承載力，平面外剛度和承載力都相對較小，墻肢屬于偏心受壓或偏心受拉構件。剪力墻一般高和寬尺寸相對較大，厚度相對較小，受力形態接近于柱，和柱的區別是其長度與厚度的比值，當比值小于或等于4時可按柱來設計，當墻肢長和肢寬之比略大于4或者略小于4時，就可以視為為異形柱，按雙向受壓構件進行設計。抗震設計時，墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩不大于結構總底部地震傾覆力矩的50％。剪力墻的優點是側向剛度較大，在水平荷載作用下側移小，樓蓋采用平板結構，不設梁，所以較好地利用了空間，能夠節約層高。缺點是剪力墻的間距受到一定限制，建筑平面布置缺少靈活，結構自重較大。特別適用于高層住宅、公寓和旅館建筑。

2　高層建筑剪力墻結構設計要點

2.1樓層之間最小剪力系數的調整

建筑結構設計中為了減輕結構的自身重量，避免地震發生時導致嚴重的后果，所以在其結構設計過程中應該在短肢剪力墻可以承受的第一振型底部地震傾覆力矩，占房屋建筑結構總底部地震傾覆力矩不能超過40％的前提下，可以根據實際要求減少剪力墻結構的布置數量。建筑結構設計過程中可以采用大開閘間剪力墻結構，這樣可以保證其整體結構具有很好的傾向剛度，可以確保樓層最小剪力系數不會低于規范限制，這對減少建筑工程項目的整體造價有著重要意義。

圖1　剪力墻結構示意圖

2.2樓層層間最大位移與層高之比的調整

建筑結構設計過程中首先考慮的是樓層之間的扭轉變形和剪切變形，而剪切變形的控制在實際上是以豎向構件的數量來決定的，但是如果所設置的構件數量過多會導致其剪重比偏大，從而使建筑結構設計不合理，導致其在實際應用中的扭轉變形較大，同樣使其也無法滿足樓層間位移的需求。所以，在建筑結構設計過程中要盡量減少扭轉變形，而不能只依靠增加豎向構件的剛度來調整樓層之間的位移。

2.3剪力墻結構連梁超限的調整

建筑剪力墻結構跨高比小于2.5的連梁容易出現剪力和彎矩超過限度的情況，所以常見的剪力墻結構中的連梁跨高比要控制在2.5以上，跨高比大于5的連梁最好以框架梁的結構模式進行設計，而跨高比小于5時就會出現剪力或彎矩超出規范限制的情況。所以在剪力墻結構設計中要利用連梁超限的調整原則，這對幫助承建單位節約建筑工程造價有著重要意義。

3　高層建筑剪力墻結構設計注意事項

在設計剪力墻結構時，需要根據建筑墻體的受力特點、墻體內力分布狀態以及其破壞形態，科學地設計配筋和構造措施。在建筑結構設計中，剪力墻結構具有延性，細高的剪力墻容易設計成彎曲破壞的延性剪力墻，避免脆性的剪切破壞。當墻的長度很長時，為了滿足每個墻段高寬比大于2的要求，可通過開設洞口將長墻分成長度較小、較均勻的聯肢墻，使其可近似認為分成了獨立墻段。在高層剪力墻承載力計算時，對帶翼墻的計算寬度按以下情況取最小值。即：墻體的間距和門窗洞口間的翼緣寬度，剪力墻墻肢總高度的1/10，剪力墻厚度加兩側翼墻厚度各6倍的長度。根據墻體特點和受力特征、剪力墻內力分布狀態、破壞形態，設計配筋和構造措施。剪力墻允許高厚比如表1所示。

表1　剪力墻允許高厚比

3.1優化結構設計，降低工程造價

結構設計的局部構件設計原則要符合整體設計原則，局部構件可以根據結構受力進行加強處理，不能低于整體設計的最低要求。剪力墻結構的優化設計需要基于一定前提，即保證結構的安全性和穩定性，這需要設計人員在自身優秀工作經驗以及創新能力的基礎上對結構設計方案進行優化，從而降低工程造價，提高工程的經濟性。又或者是在造價基本不變的情況下，增加建筑物的可使用面積，豐富建筑結構的功能。在剪力墻結構中，墻是一個平面構件，除了承受沿其平面作用的水平剪力和彎矩外，還承擔著墻的豎向壓力。

3.2剪力墻結構的厚度和配筋

剪力墻布置需要對各種因素進行綜合考量，從而使得整個建筑物的質心和剛心趨于重合，且x，y兩向的剛重比接近，避免“一”字形剪力墻設計。當建筑結構較高較長時配筋宜要適當增加，在連梁部位或溫度、剛度變化等極其敏感部位適當增加配筋。墻體豎向鋼筋起抗彎作用，豎向最小配筋率包括邊緣構件中的鋼筋，鋼筋間距300mm，謹防豎筋過多使墻體的抗彎強度大于抗剪強度，不利于抗震。短肢墻在抗震設防烈度為Ⅷ區不宜使用。

3.3剪力墻結構的超長

如果剪力墻墻體較長，可以設置結構洞，洞內用輕質墻體填充，這樣可以有效降低剪力墻結構的剛度。如果剪力墻結構剛度大，混凝土結構受溫度或收縮徐變的影響等諸多因素有關，混凝土收縮、徐變產生變形較大，剪力墻墻體對樓面產生的約束就大：當墻體結構發生收縮變形時，易出現裂縫。所以難于解決混凝土收縮變形時，保證不出現裂縫。混凝土收縮種類很多，塑性收縮和縮水收縮（干縮）是發生混凝土體積變形的主要原因，另外還有自生收縮和炭化收縮。混凝土因收縮所引起的，使用普通商品混凝土泵送施工，為了利用泵送，增大水泥含量，人為地減少中粗骨料含量和骨料粒徑，加之泵送混凝土配合比和施工送料時的不良因素影響，加大了混凝土結構收縮量，增加產生裂縫的機會。如養護不周、時干時濕，表面干縮形變受到內部混凝土的約束，也往往導致裂縫。

3.4剪力墻的邊緣構造

在矩形剪力墻的兩側增設約束邊緣構件的主要作用在于提高墻體的延性，同時，也能夠防止剪力墻發生水平剪切、滑動，有效地提高了抗剪能力，增加墻肢截面兩端的翼緣能顯著提高墻的延性。剪力墻邊緣構件如圖2所示，根據剪力墻的結構類型和受力狀況，對墻兩端和洞口兩側加強邊緣，按墻肢在重力荷載代表值作用下墻肢軸壓比的界線及加強部位要求分為約束邊緣構件和構造邊緣構件兩類。構造邊緣構件（如端柱）僅在矩形柱范圍內布置縱筋和箍筋，類似于框架柱。約束邊緣構件的抗震性能要高于構造邊緣構件。剪力結構邊緣構件的最大軸壓比如表2所示。

圖2　剪力墻邊緣構件示意圖

表2　剪力結構邊緣構件的最大軸壓比

4　結束語

由于剪力墻結構在建筑結構實際應用中具有優秀的抗震性和抗側剛度大等特點，使剪力墻結構在我國建筑行業中的應用較為廣泛，但是為了通過優化建筑結構來提高建筑質量，要對剪力墻結構的相關理論有一個深刻的認識，并且在實際應用中要嚴格遵守剪力墻結構的設計原則，并要把握住剪力墻結構的設計要點，這樣才能將剪力墻結構的優點充分作用到建筑結構中，這對實現我國建筑行業在新時期的良性發展有著重要作用。

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TU937+.16

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1673-0038（2015）10-0025-02

2015-2-19