剪力墻結構設計若干問題淺析

摘 要： 抗震墻廣泛用于多層和高層鋼筋混凝土房屋，2010規范規定的7種現澆鋼筋混凝土結構房屋 中，除框架結構外，其余6種結構體系均與剪力墻有關，所以有必要重點對剪力墻結構作一個重點研究.

關鍵詞：剪力墻設計；受力特性；破壞機制

1、剪力墻的基本概念與計算分析

1.1 剪力墻特點綜述

1.1.1 剪力墻高和寬尺寸較大但厚度較小，幾何特征像板，受力形態接近于柱，而與柱的區別主要是其長度與厚度的比值，當比值小于或等于4時可按柱設計，當墻肢長與肢寬之比略大于4或略小于4時可視為為異形柱，按雙向受壓構件設計。

1.1.2 剪力墻結構中，墻是一平面構件，它承受沿其平面作用的水平剪力和彎矩外，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一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：墻肢必須能防止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。

1.1.3實際工程中剪力墻分為整體墻和聯肢墻：整體墻如一般房屋端的山墻、魚骨式結構片墻及小開洞墻。整體墻受力如同豎向懸臂，當剪力墻墻肢較長時，在力作用下法向應力呈線性分布，破壞形態似偏心受壓柱，配筋應盡量將豎向鋼筋布置在墻肢兩端；為防止剪切破壞，提高延性應將底部截面的組合設計內力適當提高或加大配筋率；為避免斜壓破壞墻肢不能過小也不宜過長，以防止截面應力相差過大。

聯肢墻是由連梁連接起來的剪力墻，但因一般連梁的剛度比墻肢剛度小得多，墻肢單獨作用顯著，連梁中部出現反彎點要注意墻肢軸壓比限值。

壁式框架：當剪力墻開洞過大時形成寬梁、寬柱組成的短墻肢，構件形成兩端帶有剛域的變截面桿件，在內力作用下許多墻肢將出現反彎點，墻已類似框架的受力特點，因此計算和構造應按近似框架結構考慮。

綜上所述，設計剪力墻時，應根據各型墻體的特點，不同的受力特征，墻體內力分布狀態并結合其破壞形態，合理地考慮設計配筋和構造措施。

1.2 剪力墻受力特性

在受力方面，因為剪力墻的剛度大，容易滿足小震作用下結構尤其是高層結構的位移限值。在地震作用下，其變形小，破壞程度低，可以設計成延性抗震墻，大震時通過連梁和墻肢底部的塑性鉸范圍內的塑性變形，耗散地震能量，在與其他結構共同工作的同時，能吸收大部分的能量，降低其他結構的抗震要求，在設防較高的地區（8度及區以上地區）優點更為突出。

抗震墻由墻肢和連梁兩部分組成。設計時應遵循強墻弱梁；強剪若彎的原則。即連梁的屈服先于墻肢；連梁和墻肢均應為彎曲屈服。

1.3 剪力墻破壞機制

高層建筑剪力墻在水平力作用下的破壞分為脆性破壞（即剪切破壞）和延性破壞（即彎曲破壞）兩種。剪力墻的脆性破壞又可分為兩種情況。一種是脆性破壞發生于墻肢。墻肢由于抗剪能力不夠而發生剪切破壞，會使剪力墻很快喪失承載能力。造成結構的突然倒塌。這是設計所應該絕對避免的。抗震規范里規定了抗震墻截面的剪壓比限值和抗震等級為一、二級時抗震墻底部加強部位剪力設計值的放大系數，就是為了防止剪力墻早于彎曲破壞而發生剪切破壞。脆性破壞的第二種情況是連梁發生剪切破壞。連梁發生剪切破壞會使聯肢墻各墻肢喪失連梁對墻肢的約束作用。在沿墻全高所有連梁均發生剪切破壞時，聯肢墻的各墻肢將成為單片的獨立墻，這會使結構的側向剛度大大降低，墻肢彎矩加大。抗震規范里規定了連梁截面的剪壓比限值和抗震等級為一、二級時連梁端部剪力設計值的調整系數，也是為了防止連梁早于彎曲破壞發生剪切破壞。但是，和第一種墻肢發生剪切破壞相比，連梁發生剪切破壞時結構尚未喪失承載能力，在墻肢破壞前，只要所考慮的連梁不承擔較大的豎向荷載，還不會造成結構的倒塌。

剪力墻的延性破壞也可分為兩種情況。一種是連梁不屈服，墻肢首先發生彎曲破壞，這種墻在破壞時的極限變形較小。因此，對有抗震設防要求的建筑來說，它雖然是一種延性破壞，但吸收地震能量的能力是較低的。設計中應避免這種情況的發生。延性破壞的第二種是連梁先屈服，最后是墻肢的屈服。當連梁有足夠的延性時，它能通過塑性鉸的變形吸收大量的地震能量。同時，通過塑性鉸仍能繼續傳遞彎矩和剪力，對墻肢起到一定的約束作用，使聯肢墻保持足夠的剛度和強度。這是設計時應首先考慮做到的。為了保證聯肢墻的延性要求，對連梁的延性要求是非常高的。因此，在設計高層建筑剪力墻時，必須十分注意保證連梁的延性要求。

1.4 剪力墻設計計算分析

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。當受較大集中荷載作用時再增加對局部受壓承載力驗算。在剪力墻承載力計算中，對帶翼墻的計算寬度按以下情況取其小值：即①剪力墻之間的間距；②門窗洞口之間的翼緣寬度；③墻肢總高度的1/10；④剪力墻厚度加兩側翼墻厚度各6倍的長度。

以上所述的剪力墻設計中的概念問題可能絕大部分設計人員都懂，但實際應用到工程設計中，施工圖紙表達出來的東西有時則存在很大差別，追究原因，許多是與具體的構造處理有關，因此造成墻的截面和配筋差別大不合理。

2、剪力墻的邊緣構造

2.1 結構試驗表明矩形截面剪力墻的延性比工字形或槽形截面剪力墻差；計算分析表明增加墻肢截面兩端的翼緣能顯著提高墻的延性；因此在矩形墻兩端設約束邊緣構件不但能較顯著地提高墻體的延性，還能防止剪力墻發生水平剪切滑動提高抗剪能力。從89規范開始在剪力墻中提出了暗柱、端柱、翼墻（柱）、轉角墻（柱），也就是目前規范中的約束邊緣構件或構造邊緣構件的抗震措施。

2.2 對規范的不同理解往往產生了五花八門的設計。有人將每一軸線的墻理解為一片墻僅在端墻設暗柱，有人將凡是拐角或洞口邊都設暗柱，而即使是公開發表出版的權威參考書或設計手冊對暗柱（翼墻柱）的截面取值也出現了以下三種不同尺寸，因此造成配筋的差別很大，甚至相同的資料由于出版的時間不同，對規范的理解也有所不同。

2.3 從2010年開始實施的建筑結構規范，根據結構類型及受力狀況，對剪力墻兩端及洞口兩側的加強邊緣，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。

3、結論

工程實踐經驗說明，剪力墻結構設計要做到安全、經濟、合理，關鍵在于對結構受力的實際情況有充分的了解，只有掌握了結構受力的客觀規律和真實情況，才能做出正確的設計。才能使結構更好的符合客觀實際，創造出優秀的設計成果，避免在設計中發生原則性的錯誤。