高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

王偉建

江西省建筑設(shè)計研究總院 江西 南昌 330046

前言

剪力墻又叫作“抗風(fēng)墻”、“結(jié)構(gòu)墻”和“抗震墻”，剪力墻設(shè)計的主要作用是為了房屋建筑減少因為抗風(fēng)荷載和地震的作用而引起的水平荷載和豎向荷載的壓力，剪力墻是主要的抗荷載建筑構(gòu)件，通常承受了所有水平荷載和豎向荷載的壓力，剪力墻的剛度強弱直接關(guān)乎房屋建筑的安全性。

1 剪力墻的特點和分類

剪力墻擁有強大的側(cè)向荷載抵抗能力，在一些地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)或者地震區(qū)以及高層建筑中使用非常多，剪力墻可以單獨構(gòu)成一個建筑構(gòu)件，也可以和建筑框架一起構(gòu)成框架-剪力墻構(gòu)件，此外根據(jù)剪力墻是否開洞以及開洞的大小、開洞數(shù)量和開洞位置可以分成四類，下面我們具體介紹這四類剪力墻以及受力特點：

第一種是沒有開洞或者是開洞面積小于整體剪力墻面積的15%，這種剪力墻的受力變形主要是彎曲變形，另外受力特點和懸臂墻是一樣的，所以彎矩圖沒有反彎點也沒有發(fā)生突變。

第二種是開洞面積高于整體剪力墻面積的15%，但是不會超過50%，這種情況屬于小面積整體開口剪力墻，受力時彎矩圖在連接梁的地方發(fā)生突變，只有在房屋建筑正常才會有反彎點。

第三種是開洞口特別大或者是所開的口是分列布置的多肢剪力墻，它的受力特點和第二種是相同的。

第四種是開洞的洞口相對較大時，墻肢線剛度接近梁線剛度的壁式框架，彎矩圖在樓層地方易發(fā)生突變，且經(jīng)常出現(xiàn)反彎點[1]。

2 高層建筑剪力墻設(shè)計需要關(guān)注的要點

2.1 剪力墻的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

剪力墻水平荷載和豎直荷載的壓力比較大，另外剪力墻的剛度要求也會比較高，所以在現(xiàn)代高層建筑中使用非常多。在高層建筑進行剪力墻設(shè)計施工時，需要綜合考慮各個墻體的特點和實際施工背景對剪力墻進行優(yōu)化，剪力墻的優(yōu)化主要從剪力墻的結(jié)構(gòu)布置、洞口位置和建筑剪力墻的構(gòu)造措施 三方面入手，在設(shè)計安全的基礎(chǔ)上，也要做到經(jīng)濟成本的控制。

（1）結(jié)構(gòu)布置

為了降低對高層房屋建筑的建筑功能的影響，在建筑結(jié)構(gòu)中進行剪力墻設(shè)計，設(shè)計剪力墻時要多選擇建筑結(jié)構(gòu)的周邊外圍護墻，當(dāng)布置各墻肢的時候，設(shè)計人員要學(xué)會通過調(diào)整邊緣的構(gòu)件來滿足建筑對抗扭、抗側(cè)剛度的要求。另外在進行剪力墻布置時也要考慮到小墻垛布置以及連續(xù)轉(zhuǎn)折可能對建筑整體結(jié)構(gòu)的影響。

（2）洞口位置

在剪力墻中進行開洞在很多高層建筑設(shè)計時都是會經(jīng)常出現(xiàn)的，因為開洞的大小和位置都會導(dǎo)致剪力墻的墻肢間為非直線應(yīng)力分布，一旦分布偏離非常大的時候，要在整體墻計算方法基礎(chǔ)上進行修正，此外進行墻體抗震設(shè)計時，盡量避免剪力墻的墻邊和開洞的洞口以及洞口和洞口之間形成墻肢截面高度和厚度比低于4的小墻肢[2]。

（3）建筑剪力墻的構(gòu)造措施

剪力墻的主要受力特征是平面內(nèi)的承載力和剛度較大，而平面外的承載力和剛度都很小，所以要對剪力墻的平面外應(yīng)力作用及扭矩進行控制，具體的來說可以通過以下的方法進行控制：抗震墻的結(jié)構(gòu)要滿足墻肢軸壓比限值界線值時，要按照規(guī)定設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件，一般情況下，剪力墻的墻體配筋基本要求為豎向鋼筋放在內(nèi)側(cè)，水平鋼筋放在外側(cè)；宜在剪力墻平面外與框架梁連接處設(shè)置暗柱，便于框架梁縱筋、連梁和剪力墻豎向鋼筋的錨固，并根據(jù)構(gòu)造要求設(shè)置箍筋和縱筋。

2.2 結(jié)構(gòu)方案的選擇

（1）20層以內(nèi)的剪力墻設(shè)計結(jié)構(gòu)方案

對于20層以內(nèi)的建筑進行剪力墻設(shè)計時，往往都采用現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)，這是由于現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)的墻肢軸壓力會小很多，需要構(gòu)造配筋，導(dǎo)致墻肢承載力無法完全發(fā)揮，因此工程費用相對較高，另外因為結(jié)構(gòu)的要求需要，要選擇短肢剪力墻結(jié)構(gòu)來進行彌補。將鋼筋混凝土改變?yōu)槠渌侠砥鲶w，減少建筑自身重量，促使地震效應(yīng)下降，在降低工程費用的同時，又能確保建筑抗震性能[3]。

（2）20層以上的剪力墻設(shè)計結(jié)構(gòu)方案

由于短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)在高層建筑中無法保持穩(wěn)定，其整體結(jié)構(gòu)較軟，可靠性不佳，無法滿足工程需求，因此在建筑層數(shù)高于20層時不宜使用。對于樓層超過20層的高層建筑，要采用全現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)。采用全現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)時，如果結(jié)構(gòu)剛度過大，可以將窗臺位置的鋼筋混凝土墻改變?yōu)槠渌鲶w，利用細節(jié)調(diào)整來減少自身重量[4]。

3 高層建筑的剪力墻的抗震設(shè)計

高層建筑中，剪力墻是主要的抗震結(jié)構(gòu)，因為剪力墻的水平方向的剛度比較大，因此容易滿足小震作用下的結(jié)構(gòu)，尤其是高層結(jié)構(gòu)中的側(cè)向位移的限制。但是，對于建筑物的剛度的大小，一直都存在較多爭議。對于鋼筋混凝土的剪力墻的結(jié)構(gòu)，通過一些地震災(zāi)害的事實表明，剛度比較大的結(jié)構(gòu)通常在地震時造成的災(zāi)害相對小一些。但是，結(jié)構(gòu)剛度并不能沒有限制的增加，在通常的情況下，建筑物的剛度如果越大，承受地震力的水平也會隨著變大，工程費用也隨之增加。因此在設(shè)計時就需要掌握好尺度的問題[5]。

4 結(jié)束語

綜上所述，對于高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的時候，結(jié)構(gòu)平面布置必須考慮有利于抵抗水平和豎向荷載，力爭均勻?qū)ΨQ，結(jié)構(gòu)豎向布置則必須做到結(jié)構(gòu)的承載力和剛度宜自下而上逐漸減小，變化均勻。在此前提下，確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的合理截面尺寸，選擇合適的計算軟件進行計算分析，這樣才能得到可靠、合理計算結(jié)果，為剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。我國高層建筑施工企業(yè)在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計方面積累了豐富的經(jīng)驗，但是在實際的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中，很多問題仍然存在。為此，深入研究高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，為我國高層建筑施工企業(yè)在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的進一步發(fā)展，有著重要的意義。