剪力墻結構在高層建筑結構設計中的布置原則

汪斌斌

摘 要 隨著我國城鎮化的飛速發展，人們對建筑生活、起居的空間環境要求越來越高，由于鋼筋混凝土結構有較好的經濟性、抗震性、耐久性和耐火性；剪力墻結構中室內無外凸出的柱角，便于家具布置和分割，有利于分戶、防火、防盜、隔聲，在當今絕大多數高層住宅、高層賓館和一般不需要大空間的建筑中仍然運用剪力墻結構。剪力墻結構在當今的建筑結構中仍占有極其重要的位置，本文就主要通過對剪力墻結構中剪力墻布置原則進行分析，進一步闡述了在建筑結構中剪力墻的應用。

關鍵詞 剪力墻結構；短肢剪力墻

1 引言

相對其他結構體系（包括鋼結構），剪力墻結構有以下優點：鋼筋混凝土剪力墻結構成本低，整體性好，可模型性強，承載力高，剛度大，側移小；因風荷載或水平地震作用引起的非結構構件損壞少；結構次生內力、P-△效應不顯著；有多道抗震防線。

2 剪力墻結構的概念

由剪力墻組成的承受豎向和水平作用的結構稱為剪力墻結構。結構有良好的空間工作性能，剪力墻結構中全部的豎向荷載和水平作用由剪力墻承擔，剪力墻結構結構具有多道防線，在遭遇地震作用時，連梁是第一道防線，消耗了一部分能量，連梁破壞后，墻肢作為第二道防線，繼續抵抗地震作用和其他水平作用，此時由于部分連梁退出工作，結構周期發生變化，能減輕建筑物的破壞程度[1]。

3 剪力墻結構布置原則

3.1 剪力墻平面布置

（1）各主軸方向布置。當建筑平面采用三角形、Y形、正多邊形、圓形或弧形時，應沿其主軸徑向、環向雙向布置，盡可能在某個位置同時布置，使之互為翼緣，并且保證兩個方向的側移剛度不宜相差過大[2]。盡量地不讓 “一”字剪力墻出現，尤其“一”字短肢剪力墻出現，盡可能對其設翼緣。抗震設計時，不應采用僅單向有剪力墻的結構布置。剪力墻結構宜盡量設計布置成帶翼緣的盒子或利用樓、電梯間構成小筒體，以提高剪力墻的側移剛度，改善剪力墻應力集中，提高剪力墻延性和抗震能力，充分發揮剪力墻結構的空間效應。內外剪力墻要盡可能對直或拉通，減少部分不均衡的作用力產生。

（2）剪力墻結構應具有適宜的側移剛度。為了充分發揮剪力墻的側移剛度和承載力，增大剪力墻結構的合理使用空間，剪力墻的間距不宜太密，要分散，整個結構的抗側剛度不宜過大；否則，剛度大，自重大，結構周期短，抗震設計時地震作用大，不經濟。一般基本周期0.60n～0.80n（n為結構總層數）較為適宜。

（3）剪力墻平面布置盡可能均勻、對稱、周邊化，盡可能使結構的剛心與質心重合，以減少扭轉效應，增大結構抗扭剛度。 “均勻”一是要求剪力墻的平面位置，間距要均勻，使得每片剪力墻有相差不大的負荷面積；二是要求剪力墻的墻肢截面尺寸要均勻，不導致因剪力墻的抗側剛度變化太大而承擔的水平剪力相差懸殊、出現應力過大現象，使同一主軸方向的各片剪力墻能一起均勻的協同工作。因此剪力墻不宜過長，較長的剪力墻宜設置跨高比較大的連梁將其劃分成長度較均勻的若干墻段，各墻段的高度與墻段長度之比不宜小于3，墻段長度不宜大于8米。

（4）剪力墻墻肢截面宜簡單、規則、均勻，盡可能采用“T”，“L”，“工”截面墻體 。首先由于混凝土本構關系，復雜截面不能直接采用等效矩形方法直接計算截面的承載力，另外當前軟件一般不支持復雜截面剪力墻整截面的求取。所以墻肢截面盡量避免復雜截面出現。

（5）樓面主梁不宜支承在剪力墻或核心筒的連梁或其他樓面梁上。首先，連梁或其他樓面梁的面外剛度小，達不到對主梁端的約束要求，沒有足夠的抗扭剛度去抵抗平面外的彎矩；另外，由于連梁本身剪切應變較大，再加上主梁傳來的內力更容易使連梁產生破壞，設計中應盡可能避免。當無法避免時，樓面次梁或主梁支承在連梁上時，梁端可按鉸接處理，此時盡可能減小主梁的截面高度，以減小主梁對連梁的不利影響。

（6）剪力墻的平面內剛度、承載力大，而平面外剛度和承載力都很小，當剪力墻或核心筒墻肢與其平面外相交的樓面梁剛接時，可沿樓面梁軸線方向設置與梁相連的剪力墻、扶壁柱或墻內設置暗柱。另外還可以采取減小樓面梁的截面高度或梁端按鉸處理。

3.2 剪力墻結構豎向布置

（1）剪力墻的抗側剛度大，如果在某層或幾層切斷剪力墻，易造成結構樓層側向剛度突變，應力集中，形成結構的軟弱層或薄弱層。因此，剪力墻沿豎向宜均勻、連續，避免剛度突變，結構承載力和剛度宜自下而上逐漸減小。

（2）為了簡化計算模型，避免應力集中，方便施工，改善結構受力情況，剪力墻洞口宜上下對齊、成列布置，形成明確的墻肢和連梁；避免造成墻肢寬度相差懸殊的設置；抗震設計時，一、二、三級剪力墻的底部加強部位不宜采用上下洞口不對齊的錯洞墻，全高均不宜采用洞口局部重疊的疊合錯洞墻。當無法避免疊合錯洞布置時，應按有限元方法計算分析，并在洞口周邊采取加強措施，或在洞口不規則部位采用其他輕質材料填充，將疊合洞口轉化為規則洞口，解決應力復雜問題。

（3）剪力墻墻厚和混凝土強度等級沿豎向應逐漸減小，要避免兩者在同一樓層改變，墻肢長度不宜突變。當相鄰構件尺寸變化較大時，應設過度截面。當結構底部加強區與非加強區之間剪力墻截面、混凝土強度、配筋相差較大時，宜設1～2個過渡層。

3.3 剪力墻結構布置的合理性

剪力墻的平面、豎向布置除了概念設計外，在設計中主要由以下幾個控制參數來判斷合理性：位移比、周期比、軸壓比、剪重比、剛度比、層間受剪承載力比、剛重比、傾覆力距比、樓層最大位移與層高比。一般布置合理的結構均能滿足規范對以上參數的限值。

4 短肢剪力墻的設計

短肢剪力墻是指截面厚度不大于300mm時，各肢截面高度與厚度之比的最大值大于4但不大于8的剪力墻；具有較多短肢剪力墻的剪力墻結構指：在規定的水平地震作用下，短肢剪力墻承擔的底部傾覆力矩不小于結構底部總地震傾覆力矩的30%的剪力墻結構。在一般的多層、小高層、中高層建筑中由于房屋高度低，水平作用和豎向荷載小，剪力墻的厚度較小，剪力墻開大洞，常會形成短肢剪力墻[3]。由于短肢剪力墻沿建筑高度可能有較多樓層出現反彎點，受力特點接近異形柱，又承擔較大的軸力和剪力，其抗震性能差。在剪力墻結構平面布置時應注意，配合其他專業盡量避免短肢剪力墻的出現。在抗震設防烈度為7～8的具有較多短肢剪力墻的剪力墻結構中，房屋適用高度要滿足比A級高度的普通剪力墻結構低約20%，且在規定的水平地震作用下，短肢剪力墻承擔的底部傾覆力矩不大于結構底部總地震傾覆力矩的50%的要求。在B級高度高層建筑和抗震設防烈度為9度的A級高層建筑中不宜布置短肢剪力墻，不應采用具有較多短肢剪力墻的剪力墻結構。同時短肢剪力墻要滿足比普通剪力墻更為嚴格的軸壓比限制要求。

5 結束語

高層建筑的復雜性給結構工程師提出新的挑戰，要求結構分析，設計技術不斷地向前發展，同時要求結構工程師提前進入方案設計階段，從建筑的平面、立面著手，努力配合尋求出建筑結構比較合理的構成，從而推動建筑科學不斷向前發展。

參考文獻

[1]徐建.建筑結構設計常見及疑難問題解析（第二版）[M].北京：中國建筑工業出版社，2014：768.

[2]中華人民共和國國家標準.建筑抗震設計規范GB50011-2010[M].北京：中國建筑工業出版社，2010：366.

[3]中華人民共和國行業標準.高層建筑鋼筋混凝土結構技術規程JGJ3-2010[J].中國建筑工業出版社，2010，（3）：29-30.