剪力墻結構設計在建筑結構設計中的應用

潘啟釗

（貴州省凱里市建筑設計院 貴州凱里 556000）

剪力墻結構設計在建筑結構設計中的應用

潘啟釗

（貴州省凱里市建筑設計院 貴州凱里 556000）

當前，剪力墻結構在建筑結構設計中得到了廣泛的應用，由于其自身具備的獨特優(yōu)點，能夠有效保障建筑物整體的使用質量，受到了建筑行業(yè)的高度重視。本文即以具體工程為例，探討了剪力墻結構設計。

剪力墻結構設計；建筑結構設計；特點

引言

當前，剪力墻結構憑借著其較強的剛韌性與抗震性，被廣泛應用于建筑工程中。但是，目前我國剪力墻結構體系尚未完善，其設計工作存在一定的難題。剪力墻結構質量的好壞會直接影響到整體建筑工程項目的施工質量，對于建筑企業(yè)而言，必須高度重視剪力墻結構設計問題。

1 剪力墻結構及其特點分析

建筑的墻體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地震、風荷載等作用引起的水平荷載，也可以稱為抗震墻、抗風墻。剪力墻結構具有十分明顯的優(yōu)越性：①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。②剪力墻結構自重較大，對于吸收地震能量而言優(yōu)勢明顯。③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，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：①因其間距的限制，剪力墻不能形成太大的開間；②剪力墻的墻體比較密，制約了建筑平面和空間的布置；③剪力墻結構體系造價比較高，施工技術也較為繁瑣。

2 建筑結構設計中剪力墻結構設計要點

2.1 剪力墻平面布置

在進行剪力墻平面布置時，要盡量防止出現單向有墻的情況，剪力墻要沿著主軸及其他方向進行雙向、多向布置；剪力墻的抗側力剛度不能太大，一般情況下，為了充分發(fā)揮剪力墻結構的抗側力剛度和承載力，可以適當地增加剪力墻的間距，從而保證剪力墻結構的抗側力剛度合適。設計人員可以根據經驗公式T=（0.05-0.06）n（其中n為層數），計算出T值，從而判斷剪力墻的數量及側向剛度。如果計算結果T比搭模計算周期T1大，則可以適當地增加剪力墻的數量；如果計算結果T比搭模計算周期T1小，則說明剪力墻比較多，可以適當地減少剪力墻的數量或者鑿開一些合理的孔洞，降低剪力墻的剛度。

2.2 約束邊緣構件處理

無約束邊緣構件剪力墻和有約束邊緣構件剪力墻相比較，其極限承載力降低40%，極限層間位移角就會減少一倍，對地震能量的消耗能力就會減少20%。因此，在設計剪力墻結構時，要根據不同級別的剪力墻軸壓比，選用相對應的邊緣構件。剪力墻邊緣構件可以分為約束邊緣構件和構造邊緣構件兩種情況，對于一級剪力墻和二級剪力墻結構，當剪力墻底部加強部位上面的普通部位和三級、四級非抗震設計建筑底部加強部位軸壓比小于相關規(guī)定時，要設置構造邊緣構件；當一級剪力墻和二級剪力墻結構，當剪力墻底部加強部位和高層建筑、重力荷載作用下墻體的軸壓比大于相關規(guī)定，要設置約束邊緣構件。

2.3 剪力墻墻身鋼筋

在進行剪力墻結構設計時，一般情況下，對于四級抗震設計和非抗震設計，剪力墻水平方向和垂直方向的分布筋配筋率不能小于0.20%；對于一級、二級、三級抗震設計，剪力墻水平方向和垂直方向的分布筋配筋率要小于0.25%。

2.4 剪力墻連梁問題

在剪力墻結構中，在水平荷載的作用下，墻肢會發(fā)生變形，從而引起連梁產生內力，這時連梁端部的內力會減小連接墻肢產生的變形內力，從而約束墻肢變形，連梁對剪力墻結構十分重要。連梁超筋是剪力墻連梁常見的問題，其本質是剪力剪壓比無法滿足相關要求，當墻段比較長時，連梁容易超筋的部位大多集中在中間段；當墻段中墻肢截面高度相差比較大，并且分布不均勻時，墻肢處連梁容易出現超筋現象。出現連梁超筋現象后，可以采用以下幾種方法進行處理：①可以通過調整剪力墻中連梁彎矩剪力塑形進行處理；②根據實際情況，適當的減少連梁截面高度；③當連梁破壞對垂直方向的荷載影響不大時，可以從地震作用的角度進行思考，放棄使用該連梁，計算獨立墻肢在多遇地震情況下的結構內力，墻肢配筋則應按照兩次計算得出的大內力進行。

3 工程實例

3.1 工程概況

某工程項目總用地面積為 75159.4m2，建筑面積為204272.01m2。抗震設防烈度為Ⅶ度（0.15g），場地類別為Ⅳ類，設計地震分組為第二組，特征周期為0.75s，地面粗糙度為B類。該工程場地土軟弱，處在抗震不利地區(qū)，擬對其中的5#樓（31層）進行介紹。該棟建筑地面以上主體結構高度為93.0m，Y向寬度為16.8m，高寬比約為5.5，為純剪力墻結構，5#樓標準層結構平面圖見圖1。

結構的第一平動、扭轉周期分別為1.942，1.346s，周期比為0.693，滿足規(guī)范規(guī)定其值小于0.9的要求。不考慮偶然偏心時結構位移比小于1.2，考慮偶然偏心時結構位移比小于1.4。地震作用下，結構X，Y向的最大層間位移角分別為1/1059，1/1010。由于建筑場地土軟弱，地震效應巨大，剪力墻結構最大層間位移角不宜超過1/1000。

圖1 5#樓標準層結構平面圖

3.2 建立計算模型

3.2.1 初步設計

雖然場地土軟弱，但高層建筑在結構設計的總體布置上都有著某些共性。①高層建筑建模總體原則：增大外圍結構的剛度，適當削弱內部結構的剛度。由于場地土軟弱導致地震效應大，因此將建筑的外圍全部做成剪力墻，普通開窗處做成墻開洞連梁，凸窗處因豎向構件建造受限，做成普通梁外帶懸挑板，如此設計是保證結構剛度滿足高規(guī)要求的前提條件，若沒有特殊原因，任何情況下其剛度都不得釋放。②將核心筒部分包括其相鄰結構構件（如強弱電、水暖、送風井等）全部都做成剪力墻，該部分為結構薄弱部位。

3.2.2 完善和調整

由于結構Y向高寬比較大，剪力墻布置對其側向剛度有著最為直接的影響，經過反復計算，盡管將結構Y向的所有建筑墻體都布置剪力墻（中心處除外），其側向剛度仍有欠缺，因此繼續(xù)將Y向所有開門窗洞口部位都做成墻開洞連梁后才能增加其側向剛度，達到高規(guī)的相關要求。

X向剪力墻布置與Y向有較大的區(qū)別：①X向高寬比較小，不需要布置太多的剪力墻；②由于外墻門窗的影響又不能布置較長的剪力墻，有些部位因為要做突窗而不能布置剪力墻。為協調此矛盾，在X向外圍有條件的位置處均布置剪力墻，同時以X向側向剛度滿足高規(guī)的相關要求為前提來控制中間部分剪力墻的布置長度。

3.2.3 X，Y向剛度調整

采用PKPM進行結構建模分析時，剪力墻增加建筑側向剛度的多少，主要與建筑的高寬比、剪力墻所處的部位以及填充墻的厚度有關：①高寬比越小，其增加的側向剛度就越多；②布置在建筑外圍較內部增加得多；③200厚填充墻處較100厚的增加得多。因此結構建模時建筑填充墻處做成剪力墻還是做成普通梁上附線荷載，應主要以該方向的位移角是否滿足規(guī)范的相關要求為前提進行選取。對該建筑進行多次計算分析后，可得到如下規(guī)律：①Y向：在建筑有條件處均應做成剪力墻，在門窗洞口處做成剪力墻開洞連梁；②X向：建筑外圍200mm厚墻體的處理同①，內部視具體位置做成普通梁上附線荷載，100mm厚處做成普通梁上附線荷載；③核心筒處X，Y向處理同①；④中心處（建筑內部廚房、衛(wèi)生間、陽臺集中處），因要考慮扭轉對結構的不利影響同時又要保證結構的側向剛度，該處100mm厚墻體X，Y向均做成普通梁上附線荷載，200mm厚墻體均做成剪力墻。

3.3 連梁設計

3.3.1 標準層連梁配筋SATWE數據

通常來講，連梁分兩種情況：①因跨高比小于5形成的普通連梁，這種連梁為弱連梁，自身側向剛度小，縱向配筋相對較大，通常不會出現超筋現象；②墻開洞形成的連梁，若跨高比小于5的話，一般為強連梁，自身側向剛度大，縱向配筋相對較小，但配箍率較大，通常會出現超筋現象，本文所論述的連梁均為此類型，5#樓標準層連梁配筋SATWE數據見圖2。

圖2 5#樓標準層連梁配筋SATWE數據

3.3.2 連梁設計要求

連梁具有普通梁的使用功能，其高度不能過高，因此連梁增大樓層側向剛度的范圍將受到限制。5#樓室內門高最小值為2100mm，加上做地暖所使用的110mm厚面層，梁的最大高度（未上反）不得超過790mm（樓層層高為3m）。根據規(guī)定，滿足剪壓比可初步確定連梁的截面高度；其次，滿足斜截面抗剪承載力可最終確定連梁的截面高度并確定該連梁的最大箍筋量。

3.3.3 連梁的優(yōu)化設計

總體上來講，由于Y向受到的地震作用相對較大，Y向要保證側向剛度達到高規(guī)的要求，其連梁自身的側向剛度就要較X向大。根據規(guī)定，減小連梁的截面高度可減小自身的剛度；換句話說，增大連梁的截面高度可提高自身的剛度，因此建模時連梁截面高度為Y向600mm，X向400mm。

此外，個別特殊的連梁應進行單獨處理，如圖2中橢圓圈定的4根連梁。Y向的兩根連梁位于核心筒附近，是上半部分結構與下半部分結構連接的樞紐，受力很大。左側連梁由首層入口處部分剪力墻不能落地完全開洞（圖1左側橢圓圈定處）而形成，右側連梁（圖1右側橢圓圈定處）直接由剪力墻開洞形成，兩根連梁通過計算，最終確定其截面高度均為790mm；X向的兩根連梁因靠近連接樞紐，受力也很大，若按照建筑開門所留的長度尺寸做成墻開洞連梁，得到的截面高度將超過1000mm。因此，此處的連梁需要通過開大洞口釋放部分剛度，以減小自身受到的作用力，通過多次試算，最終確定其截面高度均為790mm，其他部位的特殊連梁可參照上述方法進行處理。

4 結語

綜上所述，剪力墻結構具有較好的應用前景。在進行剪力墻結構設計時，要根據建筑工程的實際情況，確保制定的剪力墻結構施工方案既符合施工質量標準，又能滿足經濟要求，從而為建筑工程的施工質量提供保障，促進建筑行業(yè)的健康、穩(wěn)定發(fā)展。

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TU398+.2

A

1673-0038（2015）01-0023-03

2014-12-8

潘啟釗（1975-），男，苗族，貴州天柱人，工程師，主要從事建筑結構設計工作。