高層建筑結構剪力墻結構設計探討

田紅潮 河北都邦石化工程設計有限公司

高層建筑結構剪力墻結構設計探討

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隨著人們生活水平的不斷提高，對居住舒適性要求也相應的提高，特別是對住宅平面的要求越來越高。由于剪力墻結構墻肢厚度可與填充墻厚度一致，平面就沒有像框架柱向房間內凸出部分，能有效地提高了空間利用率。所以高層住宅中便越來越多的采用剪力墻結構。

高層住宅 剪力墻結構 連梁

一、建筑結構設計中剪力墻結構概念方案布置

剪力墻結構概念方案布置是剪力墻結構設計的首要前提，方案布置的合理性與否對整個工程造價影響甚大，因此以下對剪力墻結構布置作簡要分析。

剪力墻平面布置宜沿兩主軸方向雙向布置，盡量均勻、對稱布置，兩主軸方向剛度盡量相近。過于集中布置剪力墻可能導致結構剛度中心與荷載重心偏差較大，從而產生較為嚴重的扭轉效應；過于分散布置剪力墻則會導致剛度分布不均勻及梁板跨度加大，一方面會增加結構自重，加大地震作用效應，從而增加工程造價；另一方面，剪力墻間距過大，以致某片墻承擔荷載過大，軸壓比加大從而影響剪力墻延性設計。還有結構角部及結構開洞后形成凹凸不規則均屬抗震扭轉薄弱部位，易產生較大的扭轉變形從而導致扭轉破壞。因此在考慮剪力墻的平面布置時，應單獨對角部及開洞周圍進行局部加強。在平面角部盡量布置L 形墻肢，還可采設置端柱及轉角部位樓板中設置暗梁等構造措施進行加強，以達到提高其扭轉剛度的目的。剪力墻豎向布置宜沿房屋高度通高布置、上下對齊、連續布置，墻厚及墻長沿高度宜均勻變化，以達到豎向剛度逐漸變小，從而能夠有效避免豎向剛度發生突變情況。這樣既經濟又能滿足承載力、側向變形的要求。

因此剪力墻布置的優劣直接關系到整個結構合理性及經濟性。現如今結構的經濟性已成為結構設計必須考慮的因素。如何在滿足安全的前提下，將有限的資源物盡其用，是值得我們結構工程師所思考的問題。所以在剪力墻布置合理前提下盡量經濟，節約成本，減少工程造價。對結構的重點、關鍵部位或計算模型與實際情況有出入部位，至少采用兩種不同的結構計算軟件進行分析計算，然后進行包絡設計且在構造上給予加強。在概念方案布置前期，結構設計師應與建筑師緊密配合，初步確定一個比較合理的布置方案，避免出現不規則或嚴重不規則的平立面，達到技術先進，安全適用、經濟合理的設計方案，實現降低總體造價的目的。

二、建筑結構設計中剪力墻結構受力分析

剪力墻結構設計有著自己的設計規則及原理。由于剪力墻通常情況下高度、寬度要比厚度大很多，因此其何特征像板， 但與板有很大的差別，板是按受彎構件計算，剪力墻是按壓彎構件計算。因此在進行其結構設計分析時就需要考慮到其具體的設計差別。此外還包括剪力墻的肢長、墻厚度范圍有著自身的特性，因此當墻肢截面高度與厚度之比hw/tw ≤ 4 時，應按框架柱結構設計；當hw/tw＞8 時為一般剪力墻；當4 ≤ hw/ tw ≤ 8 時短肢剪力墻，這也是剪力墻結構設計的基本原則之一。剪力墻結構是由一系列縱向、橫向剪力墻與梁、板所組成的空間結構。其主要承受兩類荷載：一類是豎向荷載，豎向荷載主要是梁板傳來的恒載、活載、剪力墻身自重及豎向地震作用；另一類是水平荷載，主要為水平風荷載和水平地震作用。剪力墻的內力、變形分析包括承載能力極限狀態與正常使用極限狀態下分析。在承載能力極限狀態下，剪力墻在各種工況下不致破壞，能夠安全地承受重力荷載作用。在正常使用極限狀態下，結構變形滿足規范要求，結構耐久性也滿足設計要求。剪力墻的變形主要是彎曲變形，框架結構的變形主要是剪切變形。

為了使剪力墻實現彎曲破壞的延性破壞模式，《高層建筑混凝土結構技術規程》簡稱高規，規定墻長不宜大于8m。實際上影響剪力墻破壞模式的兩個主要因素是剪跨比和軸壓比，只要剪跨比＞2，且軸壓比不超過規范規定限值，能夠實現延性的破壞模式。當剪力墻墻長大于8m 時，盡量在墻中部開洞形成雙墻肢，通過弱連梁連接。這樣剪跨比一般也會大于2，即能滿足延性破壞的需求。在地震作用下通過連梁來耗能，連梁端部首先進入塑性變形，形成塑性鉸，這樣連梁起到第一道抗震防線的作用。

三、連梁設計

高層住宅剪力墻結構中，由于開間不大或墻長較長時開洞后形成連梁，若兩墻肢之間出現跨高比較小的連梁時，在計算過程中，容易產生連梁抗剪超限的情況，通常有以下幾種解決方案：①增大截面，可以提高連梁自身的抗剪能力，但隨著連梁剛度增加相應內力也增加，其對抗剪能力的提高是有限的。在梁寬一定的情況下，通過加高連梁梁高的方法；在梁高一定的情況下，也可以通過加寬梁寬，加寬截面卻對連梁剛度的貢獻較小，僅為線性關系，使得抗剪力的提高值僅大于分擔剪力的增加值。②調整設計內力，在增大連梁截面對提高抗剪能力沒有效果的情況下，可以通過人為的內力調整，對連梁剛度進行折減，控制剪力分配比，解決連梁抗剪問題。最簡單的調控方法是在計算參數選取時，調整連梁剛度折減系數，僅對內力配筋計算時才能采用。在整體計算及非地震荷載作用下，連梁剛度不予折減，這時連梁應具備足夠的抗彎和抗剪承載能力，以滿足正常使用的要求。對于跨高比大于5 的連梁，應按框架梁設計，且必須滿足框架梁各項要求。③也可設水平縫形成雙連梁、多連梁或采取其他加強受剪承載力的構造措施，譬如設置交叉暗撐等措施來提高連梁抗剪承載力。

四、結語

隨著我國國民經濟整體水平的持續提高和建筑結構設計發展速度的持續加快，高層建筑將是現代建筑的主流。剪力墻結構因側向剛度大，側向變形小等優點，因而被廣泛應用于高層建筑中。所以掌握好剪力墻結構受力特點，把握好剪力墻結構設計的基本原則，剪力墻結構設計就會更加經濟合理。因此建筑結構設計人員應對剪力墻結構設計原理有著清晰的理解，從而能夠在此基礎上通過不斷設計實踐的進行來促進我國建筑工程整體設計水平的有效提高。

[1]李捍文.剪力墻結構在建筑結構設計中的應用分析[J].科技創新與應用.2012（9）

[2]孫雪蘭.淺談高層剪力墻結構的優化設計[J].山西建筑.2010（8）