高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

王偉建

江西省建筑設(shè)計(jì)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(jì)的主要作用是為了房屋建筑減少因?yàn)榭癸L(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(qiáng)弱直接關(guān)乎房屋建筑的安全性。

1 剪力墻的特點(diǎn)和分類(lèi)

剪力墻擁有強(qiáng)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(dú)構(gòu)成一個(gè)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(kāi)洞以及開(kāi)洞的大小、開(kāi)洞數(shù)量和開(kāi)洞位置可以分成四類(lèi)，下面我們具體介紹這四類(lèi)剪力墻以及受力特點(diǎn)：

第一種是沒(méi)有開(kāi)洞或者是開(kāi)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(diǎn)和懸臂墻是一樣的，所以彎矩圖沒(méi)有反彎點(diǎn)也沒(méi)有發(fā)生突變。

第二種是開(kāi)洞面積高于整體剪力墻面積的15%，但是不會(huì)超過(guò)50%，這種情況屬于小面積整體開(kāi)口剪力墻，受力時(shí)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(huì)有反彎點(diǎn)。

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

第四種是開(kāi)洞的洞口相對(duì)較大時(shí)，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(diǎn)[1]。

2 高層建筑剪力墻設(shè)計(jì)需要關(guān)注的要點(diǎn)

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(huì)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(jìn)行剪力墻設(shè)計(jì)施工時(shí)，需要綜合考慮各個(gè)墻體的特點(diǎn)和實(shí)際施工背景對(duì)剪力墻進(jìn)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(jì)安全的基礎(chǔ)上，也要做到經(jīng)濟(jì)成本的控制。

（1）結(jié)構(gòu)布置

為了降低對(duì)高層房屋建筑的建筑功能的影響，在建筑結(jié)構(gòu)中進(jìn)行剪力墻設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)剪力墻時(shí)要多選擇建筑結(jié)構(gòu)的周邊外圍護(hù)墻，當(dāng)布置各墻肢的時(shí)候，設(shè)計(jì)人員要學(xué)會(huì)通過(guò)調(diào)整邊緣的構(gòu)件來(lái)滿足建筑對(duì)抗扭、抗側(cè)剛度的要求。另外在進(jìn)行剪力墻布置時(shí)也要考慮到小墻垛布置以及連續(xù)轉(zhuǎn)折可能對(duì)建筑整體結(jié)構(gòu)的影響。

（2）洞口位置

在剪力墻中進(jìn)行開(kāi)洞在很多高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)都是會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)的，因?yàn)殚_(kāi)洞的大小和位置都會(huì)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(shí)候，要在整體墻計(jì)算方法基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，此外進(jìn)行墻體抗震設(shè)計(jì)時(shí)，盡量避免剪力墻的墻邊和開(kāi)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(duì)剪力墻的平面外應(yīng)力作用及扭矩進(jìn)行控制，具體的來(lái)說(shuō)可以通過(guò)以下的方法進(jìn)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(shí)，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(jì)結(jié)構(gòu)方案

對(duì)于20層以內(nèi)的建筑進(jìn)行剪力墻設(shè)計(jì)時(shí)，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(huì)小很多，需要構(gòu)造配筋，導(dǎo)致墻肢承載力無(wú)法完全發(fā)揮，因此工程費(fèi)用相對(duì)較高，另外因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的要求需要，要選擇短肢剪力墻結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行彌補(bǔ)。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(fèi)用的同時(shí)，又能確保建筑抗震性能[3]。

（2）20層以上的剪力墻設(shè)計(jì)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(wú)法保持穩(wěn)定，其整體結(jié)構(gòu)較軟，可靠性不佳，無(wú)法滿足工程需求，因此在建筑層數(shù)高于20層時(shí)不宜使用。對(duì)于樓層超過(guò)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(shí)，如果結(jié)構(gòu)剛度過(guò)大，可以將窗臺(tái)位置的鋼筋混凝土墻改變?yōu)槠渌鲶w，利用細(xì)節(jié)調(diào)整來(lái)減少自身重量[4]。

3 高層建筑的剪力墻的抗震設(shè)計(jì)

高層建筑中，剪力墻是主要的抗震結(jié)構(gòu)，因?yàn)榧袅Φ乃椒较虻膭偠缺容^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(duì)于建筑物的剛度的大小，一直都存在較多爭(zhēng)議。對(duì)于鋼筋混凝土的剪力墻的結(jié)構(gòu)，通過(guò)一些地震災(zāi)害的事實(shí)表明，剛度比較大的結(jié)構(gòu)通常在地震時(shí)造成的災(zāi)害相對(duì)小一些。但是，結(jié)構(gòu)剛度并不能沒(méi)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(huì)隨著變大，工程費(fèi)用也隨之增加。因此在設(shè)計(jì)時(shí)就需要掌握好尺度的問(wèn)題[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)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(zhēng)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(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算分析，這樣才能得到可靠、合理計(jì)算結(jié)果，為剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。我國(guó)高層建筑施工企業(yè)在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，但是在實(shí)際的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，很多問(wèn)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(jì)問(wèn)題，為我國(guó)高層建筑施工企業(yè)在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的進(jìn)一步發(fā)展，有著重要的意義。