高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見問題及處理措施

劉天水

【摘 要】隨著人類社會的進(jìn)步，為了滿足現(xiàn)代居民對建筑強(qiáng)度的需求，如今越來越多的高層住宅的結(jié)構(gòu)形式采用剪力墻結(jié)構(gòu)，這也對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員解決高層剪力墻設(shè)計(jì)中種種問題的能力提出了新的挑戰(zhàn)。論文分析了高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)常見的幾點(diǎn)問題，并給出了常用的處理措施。

【Abstract】With the progress of human society， in order to meet the needs of modern residents on the strength of construction， more and more high-rise residential buildings adopt shear wall structure， which also challenges the ability of structural designers to solve various problems in the design of high-rise shear walls. This paper analyzes some common problems in the design of high - rise shear wall structure， and gives some common treatment measures.

【關(guān)鍵詞】剪力墻；連梁超筋；處理措施

【Keywords】 shear wall； over-reinforced coupling beam； treatment measures

【中圖分類號】TU973.16 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）08-0194-03

1 引言

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，近年來以剪力墻的形式居多，而新修改的規(guī)范也提出了更加嚴(yán)格的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，解決高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)遇到的問題也成了設(shè)計(jì)者的基本能力要求之一。本文僅對剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)的普遍問題提出一些解決辦法。

2 剪力墻長度和厚度的選取

2.1 剪力墻長度的選取

普通的剪力墻長度應(yīng)在8m以下[1]。當(dāng)設(shè)計(jì)長度較長的墻體時(shí)，可以在墻上均勻的開設(shè)洞口，使長墻變?yōu)槎绦蚍Q的聯(lián)肢墻，這樣可以剪力墻避免彎曲破壞，保證墻的延性，開設(shè)洞口的墻段一般以2為最小高寬比；剪力墻洞口處的連梁推薦使用跨高比不小于6的弱連梁，這種連梁的梁端約束彎矩比較小，可以將剪力墻當(dāng)做獨(dú)立墻段來計(jì)算。

2.2 剪力墻厚度的選取

設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，一般會限制墻肢最小厚度，是為了防止剪力墻失穩(wěn)破壞和平面外剛度不足等情況發(fā)生。剪力墻厚度的選取受抗震等級、剪力墻部位、有無端柱的條件影響，具體厚度參考表1。

一般住宅建筑，受建筑墻厚的限制，剪力墻厚度一般會不大于250mm。對于普通住宅，建筑層高一般不大于3m，填充墻厚度一般為200mm，因此上層剪力墻厚度取200mm能滿足規(guī)范規(guī)定的一、二級抗震時(shí)墻厚大于層高1/20、底部加強(qiáng)區(qū)墻厚大于層高的1/16的要求。需注意一字型獨(dú)立剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)墻厚不宜小于220mm，且不宜采用一字型短肢剪力墻，對于短肢剪力墻，參考表1選取剪力墻厚度時(shí)需將結(jié)構(gòu)的抗震等級提高一級選用。對于底層層高較高或無地下室的剪力墻結(jié)構(gòu)，需注意盡量不要采用一字型墻體，避免墻體過厚影響建筑使用功能。由于一字型墻體缺少平面外約束，抗震性能較差，規(guī)范對一字型墻的軸壓比、墻體厚度均作出了較嚴(yán)格的要求，因此建議采用有效翼墻的剪力墻，如L形、T形、Z字形及十字形剪力墻。

3 對結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)影響的處理

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]與《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]均對剪力墻結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移比-即樓層的最大彈性水平位移（或?qū)娱g位移）與該樓層兩端的彈性水平位移的比值，提出了限制要求，當(dāng)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移比超限時(shí)，一般有兩種調(diào)整方法。一是找出該樓層梁端節(jié)點(diǎn)位移最大的點(diǎn)，并通過增加豎向構(gòu)件截面、增大梁高等方式局部加強(qiáng)該點(diǎn)的抗側(cè)剛度，或減小對稱部位的抗側(cè)剛度，通過局部調(diào)整使結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比滿足規(guī)范要求；二是當(dāng)樓層的層間位移角相對于規(guī)范限制值（剪力墻結(jié)構(gòu)為1/1000）有較大富余量時(shí)，可采取弱化內(nèi)部剛度加強(qiáng)外圍剛度的辦法，通過盡量加大周邊剪力墻，建筑條件允許的情況下加大外圈梁的高度和削弱內(nèi)部剪力墻的辦法，從整體上增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)能力。

4 對角窗的處理

高層建筑的角部在地震中是最薄弱的部位，也是建筑經(jīng)常采用的一種建筑形式，當(dāng)高層建筑的角部設(shè)置角窗時(shí)可采取以下措施保證結(jié)構(gòu)的抗震性能。一是限制角窗部位剪力墻的厚度，在底部加強(qiáng)部位不小于層高的1/12，其余部位不小于層高的1/15，且不小180mm，墻端暗柱縱向鋼筋要適當(dāng)加強(qiáng)；二是當(dāng)角部為挑陽臺沿且陽臺外緣設(shè)幕墻不允許結(jié)構(gòu)如同角窗那樣設(shè)置梁時(shí)，可在兩端剪力墻處設(shè)置不小于1m的暗梁，因?yàn)榘盗菏芎擅娣e較大，因此樓板厚度需做厚一些。

5 連梁超限問題的處理

連梁超限問題在剪力墻中是很常見的，尤其是在高烈度區(qū)，經(jīng)常會遇到連梁超限的情況。地震工況下除了豎向荷載產(chǎn)生的內(nèi)力外，連梁內(nèi)力產(chǎn)生內(nèi)力的原因一般有兩種，一是連梁兩端豎向構(gòu)件變形不一致使連梁產(chǎn)生的相對位移；二是連梁兩端豎向構(gòu)件彎曲變形使連梁產(chǎn)生轉(zhuǎn)角。而連梁超限的原因一般有兩種，第一種是受彎超限，具體表現(xiàn)為連梁縱向受拉鋼筋配筋率超過2.5%，或梁端混凝土受壓區(qū)高度和有效高度之比大于規(guī)范限制，連梁受彎超限一般也可以通過調(diào)整連梁截面尺寸或計(jì)入受壓區(qū)鋼筋貢獻(xiàn)來解決，這類超限一般是比較好解決的；第二種是連梁不滿足減壓比控制要求，此時(shí)連梁的破壞形式為斜壓破壞，脆性特征明顯，需妥善處理，根據(jù)規(guī)范建議結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，一般有效的解決方法有以下幾種：

5.1 連梁剛度折減endprint

這是規(guī)范推薦也是工程中常用的方法，通過折減連梁的剛度，使連梁在地震工況下先于墻肢屈服，在連梁能夠承受恒、活荷載及風(fēng)荷載作用的前提下，允許連梁適當(dāng)開裂讓內(nèi)力轉(zhuǎn)移到墻肢上，從而控制其實(shí)際彎矩及剪力值。為了保證連梁正常使用狀態(tài)下的工作性能，控制裂縫不要開展過大，連梁折減系數(shù)不要取得太小，設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)建筑的抗震設(shè)防烈度的高低確定連梁的剛度折減系數(shù)，連梁折減系數(shù)不宜小于0.5。

5.2 增大連梁跨高比

通過減小連梁高度或增大連梁跨度可以增大連梁的跨高比，從而減小連梁的線剛度，使之承擔(dān)的地震剪力減小，使連梁的受剪承載力滿足規(guī)范要求。

5.3 增大連梁寬度

增大連梁寬度可以使連梁的抗剪承載力線性增加，同時(shí)連梁吸收的地震力隨連梁寬的增加的不多，從而使平均剪應(yīng)力降低，滿足規(guī)范要求。但這種方法往往需要在連梁兩端加設(shè)端柱或墻垛，因此需要與建筑專業(yè)溝通后方可采用。

5.4 提高連梁混凝土等級

提高連梁混凝土等級可以在不增大連梁地震剪力的情況下提高連梁的抗剪承載力，但是不是很經(jīng)濟(jì)，這種方法通常在本層多數(shù)連梁均超限且超過規(guī)范要求數(shù)值不大的情況采用。

5.5 設(shè)雙縫連梁

通過在連梁中間設(shè)縫可以在不減小連梁抗剪總截面的情況下將一根連梁拆分為兩個(gè)跨高比較大的連梁，使連梁從剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢茐模O(shè)縫連梁對降低單連梁的剪力和彎矩有明顯作用。

5.6 根據(jù)連梁減壓比條件設(shè)計(jì)連梁

當(dāng)連梁彎曲裂縫對連梁的正常使用沒有很大影響且超限連梁數(shù)量不多時(shí)，也可按連梁的減壓比條件控制連梁的配筋[4]。首先按照連梁跨高比大于2.5和跨高比小于2.5時(shí)，連梁的減壓比和抗剪承載力要求，推算出極限減壓比條件下滿足最大剪力設(shè)計(jì)值的連梁箍筋面積。由于連梁剪力與彎矩呈導(dǎo)數(shù)關(guān)系，當(dāng)?shù)卣鸸r下，梁端剪力達(dá)到最大剪力設(shè)計(jì)值時(shí)，此時(shí)的梁端彎矩也是確定的，因此可以根據(jù)最大剪力設(shè)計(jì)值推算出連梁達(dá)到抗剪極限時(shí)的連梁彎矩。根據(jù)此彎矩得出的連梁縱筋配筋面積為連梁縱筋配筋面積的上限。《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》11.3.6最小配筋率計(jì)算得到的配筋面積為連梁配筋面積的下限。如此，可以保證連梁的縱筋先于連梁的箍筋屈服，連梁受彎破壞，破壞形式為延性破壞，滿足強(qiáng)剪弱彎的設(shè)計(jì)要求。當(dāng)?shù)卣饋砼R時(shí)，連梁吸收地震力并產(chǎn)生塑性鉸，多余的地震力由墻肢承擔(dān)，此時(shí)，連梁仍對墻肢有部分約束作用。需注意，用這種方法調(diào)整連梁配筋，需對與其相鄰的上下層連梁及周邊墻肢的地震力進(jìn)行放大，適當(dāng)加強(qiáng)上下層連梁及周邊墻肢的配筋。

6 約束邊緣構(gòu)件箍筋的設(shè)置

剪力墻的約束邊緣構(gòu)件分為陰影區(qū)和非陰影區(qū)，對于陰影區(qū)部分的縱筋、箍筋構(gòu)造值規(guī)范做出了較明確的要求，需注意約束邊緣構(gòu)件按墻端暗柱計(jì)算得出的縱筋計(jì)算配筋面積大于構(gòu)造配筋面積時(shí)，縱筋需按計(jì)算配筋面積配置，當(dāng)剪力墻的某段墻肢全部為邊緣構(gòu)件時(shí)，還需注意此處邊緣構(gòu)件箍筋需按墻體水平筋計(jì)算值和邊緣構(gòu)件計(jì)算值取包絡(luò)設(shè)計(jì)。對于非陰影區(qū)，規(guī)范要求非陰影區(qū)的體積配箍率不小于陰影區(qū)計(jì)算值的一半，當(dāng)陰影與非陰影區(qū)縱筋間距相等時(shí)，可讓非陰影的拉筋水平間距與陰影區(qū)相同的情況下，拉筋及箍筋的垂直間距采用陰影區(qū)的一倍；陰影區(qū)縱筋間距較小時(shí)，非陰影區(qū)拉筋及箍筋垂直間距與陰影區(qū)相同。

7 結(jié)論

本文分析了高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，墻肢的長度及厚度的初步選取范圍，墻肢長度不宜大于8m且墻段高寬比應(yīng)大于2，抗震設(shè)計(jì)時(shí)厚度可取180～200mm左右；對于扭轉(zhuǎn)周期比超限的剪力墻結(jié)構(gòu)，可采取調(diào)整洞口尺寸、墻肢厚度等方法進(jìn)行局部剛度調(diào)整，也可以從整體上增加外圈結(jié)構(gòu)剛度減小內(nèi)部結(jié)構(gòu)剛度，調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度分布；對于有角窗的剪力墻結(jié)構(gòu)，可在保證角窗處墻肢厚度的情況下，通過增大墻端暗柱配筋、增加暗梁、加厚樓板厚度等方式確保結(jié)構(gòu)的安全性；對于抗剪超限的連梁，可以采用連梁剛度折減、增大連梁跨高比、增大連梁寬度、提高連梁混凝土等級、連梁中間設(shè)縫、根據(jù)減壓比條件反算連梁配筋六種方式進(jìn)行調(diào)整；總結(jié)了約束邊緣構(gòu)件配筋時(shí)需要注意的一些問題。

隨著建筑科技時(shí)代的到來，高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)種類日益增多，在針對不同的工程進(jìn)行具體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按照項(xiàng)目特征，通過計(jì)算處理剪力墻的受力狀態(tài)及破壞形態(tài)，綜合考慮以便保證結(jié)構(gòu)的安全性。充分了解并系統(tǒng)熟悉建筑規(guī)范，具備完善的結(jié)構(gòu)思維，才會使設(shè)計(jì)結(jié)果在滿足安全和經(jīng)濟(jì)適用的基礎(chǔ)上，達(dá)到更高的水準(zhǔn)。

【參考文獻(xiàn)】

【1】GB50010-2010（2015版） 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

【2】JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

【3】GB50011-2010（2016版） 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

【4】中國計(jì)劃出版社編.全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施-結(jié)構(gòu)（混凝土結(jié)構(gòu)）[M].北京：中國計(jì)劃出社，2012.endprint