剪力墻結構設計

毛瑞智

剪力墻結構比較適合用于高層住宅結構。當今重點城市的房價較高，城市中很多家庭為了一套住宅而拼上多年的血汗錢。開發商進行商業開發，追求的是利潤。作為結構設計師我們不但要確保結構的安全又要嚴格控制造價。這其中有很多問題要探討，比如說剪力墻如何布置，結構布置時要注意處理好哪些問題，對于計算結果如何判斷，如何配筋既滿足規范要求又能保證安全。

現在開發的高層住宅用的較多的層數是9層，11層，18層，26層，33層，這是根據建筑防火安全的需要和住宅小區的定位確定的。建筑高度變化范圍很大。但每一個建筑都要有必要的剛度，隨著剪力墻住宅高度的增加，布置的剪力墻的數量和長度要增多。根據設計計算的經驗，基本上9層和11層的剪力墻結構住宅，一般隔一個開間布置一個剪力墻構件，18層左右的剪力墻結構住宅，一般應部分區域隔一個開間布置一個剪力墻構件，26層和33層左右的住宅剪力墻結構，一般每個開間都要布置剪力墻構件。這樣設計的原因是：各等級的剪力墻的軸壓比有限值，結構層數越多，豎向荷載就越大。不論結構抗震設防烈度是多少，都應該滿足軸壓比的要求。剪力墻構件的軸壓比是影響剪力墻在水平地震作用荷載作用下延性（塑性變形能力）的重要因素，清華大學及國內外研究單位的試驗表明：相同條件的剪力墻，軸壓比越小，延性越大，軸壓比越大，延性越小。通過在結構底部加強區設置約束邊緣構件，可以提高剪力墻結構底部高軸壓比剪力墻的延性性能，在超過設防烈度的強震作用下，剪力墻底部墻端會因混凝土壓潰，產生較大的變形，而喪失承受重力荷載的能力導致結構倒塌。因此，必須按照規范要求，控制剪力墻構件的軸壓比。現行高規對四級剪力墻構件的軸壓比限值沒有規定，但是，誰都不會保證按四級設計的剪力墻構件不會遭遇強震，所以，對于對四級剪力墻構件的軸壓比也要嚴格要求。

具體設計時可按照上段中說的剪力墻數量，初步計算時長度滿足8倍墻厚的要求，大概布置一下剪力墻，根據剪力墻構件底部的軸壓比調整剪力墻構件的長度。調整剪力墻長度時要注意看一下結構的位移和周期，還要看剪力墻的翼緣布置情況，一般情況下，承受荷載面積大的剪力墻，剪力墻構件的長度要做大，長度大的墻承受地震水平作用也大，這種較長剪力墻兩端最好帶有翼緣，設置翼緣的剪力墻構件延性大，有利于強震下結構整體的安全。剪力墻住宅結構中布置的剪力墻構件較多時，結構整體的質量和剛度都會增大，結構所受的地震作用就會增大，會增加結構的造價。所以調整剪力墻的長度時要根據軸壓比逐步加長剪力墻構件的長度。當各個剪力墻構件的軸壓比都滿足要求了。再根據位移和周期的情況調整建筑周邊剪力墻構件的布置。根據高規7.2.10條的公式，剪力墻截面軸向壓力設計值對于剪力墻的抗剪是有利的。質量分布大的地方，地震作用也大，需要布置剪力墻較長。所以，先調整軸壓比的思路符合剪力墻構件承載力的規律。可以保證剪力墻的合理布置。

高層建筑層數多，高度大，為保證高層建筑結構具有必要的剛度，達到抗震規范“小震不壞”的要求，應對其樓層層間位移加以控制。在風荷載和小震作用下限制高層建筑結構層間位移的主要目的有兩點：①保證主體結構基本處于彈性受力狀態，對鋼筋混凝土結構來講，就是要避免剪力墻和柱出現裂縫；同時將混凝土梁等樓面構件的裂縫數量、寬度和高度限制在規范允許范圍之內；②保證填充墻、隔墻和幕墻等非結構構件完好，避免產生明顯損傷。通過調整所有的剪力墻的軸壓比滿足規范要求，使得結構的剛度中心和質量中心基本重合，這時候再調整建筑周邊的剪力墻，增大結構的扭轉剛度，就比較容易使得結構層間位移角以及樓層最大位移和平均位移的比值滿足規范要求。在調整的過程中要注意以下幾點：剪力墻的側向剛度由墻肢和連梁尺寸決定，對于住宅來說，結構做凸窗的部位，連梁上翻，可以增大連梁的截面，從而增大剪力墻的側向剛度。根據高層混凝土規范的規定，高層建筑結構是按彈性階段進行設計的，地震按小震考慮，結構構件的剛度采用彈性階段的剛度；內力和位移分析不考慮彈塑性變形，計算位移和周期時連梁剛度不能折減。剪力墻的側向剛度和墻長的三次方成正比，所以剪力墻的長度對于增強剪力墻的抗側剛度有很大影響，但剪力墻又不宜過長，較長的剪力墻宜設置跨高比較大于2.5的連梁將其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，每個墻段長度不宜大于8m。抗震設計的雙肢剪力墻，剪力墻開洞宜設在中部，避免墻肢出現小偏心受拉。

以上是剪力墻設計的基本過程，遵循了使結構由弱變強，逐漸增大結構的剛度的設計思路，這樣做出來的剪力墻結構剛度富余度不大，含鋼量小，可以取得較好的經濟效益。與這個思路相悖的現象是：剪力墻布置的很多，剛度中心和荷載中心不重合，軸壓比大小不均勻。結構既不安全也不經濟。當然要想做好剪力墻結構還有幾個問題要處理好。

短肢剪力墻的構造配筋量大，受力性能不好，調整模型時，應盡量不用短肢剪力墻，如果用了短肢剪力墻，也要盡量減少其數量，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傾覆地震力矩的30%。

剪力墻結構伸縮縫的設置問題，總的來說是，9層和11層的小高層可以適當放寬伸縮縫的間距，18層及以上的剪力墻結構應從嚴控制。這是因為小高層的剪力墻數量少，剪力墻對樓板的約束作用小，而其他住宅剪力墻結構的剪力墻數量較多，應按照規范的要求，該設置伸縮縫的要設置。以免樓板因為溫差（早期水化熱以或使用期季節溫差）和體積變化（施工期或使用早期的混凝土收縮）等間接作用效應積累的影響，引起較大的約束應力和開裂。另一方面，設置伸縮縫之后，結構單元變短，結構就不需要設置很多剪力墻來調整結構的樓層最大位移和樓層平均位移的比值。建筑越高，地震水平作用就越大，所以這樣做對于較高的剪力墻結構尤其有利。

在做剪力墻模型時，把結構的軸壓比，位移和周期調整好了后，當水平地震作用較大時，會有很多剪力墻連梁的截面不足，這時候可以對連梁剛度進行折減。連梁剛度調幅后的彎矩、剪力設計值不應低于正常使用狀況下的內力值，也不應低于比設防烈度低一度的地震作用組合所得的彎矩和剪力設計值。這樣就能避免在正常使用條件下或較小的地震作用下在連梁上出現裂縫。樓面梁不宜支撐在剪力墻的連梁上，在剪力墻結構遭遇地震作用時，剪力墻的連梁最先出現裂縫，對樓面結構受力很不利。當結構地震作用較大時，即使對連梁的剛度進行了折減，還會有一些連梁的截面不足，有的說，這種情況可以不管，我覺得不管不合適，因為只要愿意調整，還是會找到辦法的，可以加厚剪力墻，連梁寬度就可以加大。連梁截面可以加高等辦法都可以用。調整模型要有耐心，如果連梁剛度都折減了，連梁截面要求還不達標的話，就和規范強剪弱彎的要求不符。

住宅剪力墻結構里面因為建筑分割空間的需要，有時候會在剪力墻平面外設置樓面梁，規范上給了兩種做法：①沿樓面梁軸線方向設置與梁相連的剪力墻和扶壁柱；②在墻內設置暗柱。前者應用于樓面梁跨度較大時，而且樓面梁跨度越大，相應設置的剪力墻肢要長一點，這樣容易平衡樓面梁的彎矩。特別要避免在剪力墻端部設置暗柱，暗柱平面外再單面設置樓面梁的情況，這樣做受力非常不好。較小跨度的樓面梁與剪力墻平面外相連，在暗柱中要配置鋼筋，平衡樓面梁的彎矩，此時可以根據梁墻節點彎矩平衡的關系來計算暗柱內的配筋，單面相接的樓面梁可按梁配筋算出梁截面極限彎矩。這個彎矩在中間樓層由兩個墻暗柱截面來平衡，在頂層由一個暗柱截面來平衡。

在剪力墻底部加強部位范圍內，根據規范要求設置約束邊緣構件或構造邊緣構件，增強剪力墻結構的塑性變形能力，剪力墻構件端部一般設有樓面梁，作用有集中荷載，地震作用較大時，剪力墻端部受拉，其受力較復雜，所以在非底部加強部位端部設置構造邊緣構件。無論是約束邊緣構件還是構造邊緣構件，都是三向受約束的混凝土構件，鋼筋對混凝土的約束較好。剪力墻連梁是剪力墻結構在地震作用下的第一道防線，是先出現裂縫的耗能構件，在配筋上要實現連梁的強剪弱彎，連梁受彎鋼筋不能大于規范規定的最大配筋率。

結束語：

在做剪力墻結構的結構計算模型過程中，遵循先控制軸壓比，再調整周期和位移，使結構的剛度由弱變強的順序調整模型。并且注意短肢墻，墻身長度，連梁配筋等問題的解決。就能做出既安全又經濟的剪力墻結構住宅。