高層住宅建筑剪力墻結構設計研究

張 峰 何 強

1 高層建筑剪力墻結構特點及分類

1.1 剪力墻結構特點

剪力墻也被稱為抗震墻，該結構形式由于承受外力作用所以受側向變形較小，體現出良好的延展性及較高的承載性，因此相比其他結構，剪力墻結構的抗震性能更好。建筑完成后剪力墻結構需要承受較大的水平作用力及豎向作用力，具有更高的橫向剛度，因此應用剪力墻結構的建筑要高于應用框架結構的建筑，且層數多。剪力墻結構的優勢十分明顯，其采用鋼筋混凝土墻板替代建筑的框架梁、柱、墻板等結構承載建筑的豎向荷載及水平荷載，相比其他結構剪力墻結構的穩定性更好，能夠為建筑提供有效支撐，提高了建筑內部的空間利用率。剪力墻結構施工多在工程現場直接澆筑混凝土，不僅縮短了工期、簡化了施工流程，而且降低了施工成本，提高了建筑質量。然而剪力墻結構也有一定的局限性，其平面布置會受到較多的條件限制，且結構之間的間隔距離相對較小，導致建筑空間相對較小，因此剪力墻多應用于住宅、公寓、酒店等，通常公共建筑中較少用到。此外，剪力墻受間距的限制不適用于較大空間的建筑設計，整體設計不夠靈活。剪力墻結構屬于建筑的主要受力支撐，后期不得私自拆除或改動，后期住宅裝修改造會受到一定的限制。盡管短肢剪力墻結構的應用提高了建筑室內布局的靈活性，但是其整體承載性能相對較小，因此實際應用中也受到諸多條件的限制。此外，剪力墻結構采用大量鋼筋混凝土材料，在某種程度上會導致建筑結構自重增加。

1.2 剪力墻結構分類

分類方法不同，剪力墻的結構分類也存在差異。按截面形狀可以將剪力墻分為規則形狀與特殊形狀的剪力墻，特殊形狀需要根據工程實際確定，規則形狀則包括“T”形、“一”字形、“L”形、“工”字形、“Z”字形等。按墻肢截面長寬比分類可分為普通剪力墻、短肢剪力墻、異形柱等，其中墻肢長度（hw）與墻肢寬度（bw）之比大于8為普通剪力墻，hw與bw之比4 ～8 為短肢剪力墻，hw與bw之比小于4 為異形柱[1]。

按照有無洞口、洞口大小、洞口形狀、洞口相對位置不同，剪力墻可以分為整體墻、小開口整體墻、連肢墻、框支墻、壁式框架及不規則洞口剪力墻等類型。其中，整體墻是指剪力墻開洞率低于16%，且洞口之間的距離、洞口至墻邊的距離均不小于洞口長邊尺寸，或者剪力墻是一個不存在任何洞口的整體。整體墻力墻開設門窗洞口少且小，也可稱為整體墻。

小開口整體墻是指剪力墻上門窗洞口開洞率在16%以上，門窗洞口尺寸大于整體墻尺寸，墻肢內部已出現局部彎矩，洞口豎向位置布置規律，小開口整體墻的洞口率雖然大于16%，但洞口對結構的整體受力性能較小，不超過相關標準規定的范圍。連肢墻是指剪力墻上存在有規律、成列排列的較大洞口，洞口之間的連梁能夠保證剪力墻的整體性。由于連肢墻洞口率過高削弱了剪力墻的整體性能，因此連肢墻結構設計不適用結構的平面假定。框支墻是指建筑結構底部采用框架結構的較大空間，框架結構上部采用剪力墻結構，框架結構與剪力墻結構組合在一起即為框支剪力墻。壁式框架的傳力受力模式接近框架結構，即加大連肢墻的洞口開設尺寸，洞口排列同樣規律。不規則洞口剪力墻主要為了滿足某些特殊要求而設計，即根據工程實際需要在剪力墻適當的位置開設洞口，無論是洞口的位置、尺寸還是排列方式均無規律，因此稱其為不規則洞口剪力墻。

2 剪力墻結構設計原則與方法

2.1 剪力墻結構設計原則

剪力墻的結構設計應當遵循以下5 個原則：第1，采用整體性系數接近的聯肢剪力墻，高層住宅建筑盡量避免采用短肢剪力墻體系，否則會降低結構的安全性、可靠性。第2，剪力墻墻肢長度合適且設置均勻。剪力墻結構宜沿主梁方向或其他方向雙向布置，合理控制墻肢長度，避免長度過長破壞結構，或者長度過短降低抗側剛度。第3，合理設計剪力墻結構截面尺寸。剪力墻結構中的墻柱通常為壓彎構件，為保證構件的穩定性與承載力，構件的多數部位都需要增加配筋。這種情況下就需要合理設計墻柱構件截面尺寸，避免整個構件用鋼量增加，否則不僅會增加構件自重，而且會增加成本。按照結構層高最小值選擇剪力墻的厚度參數，明確設計剪力墻結構支撐點；并且剪力墻配筋需要根據相關規范以最小配筋率進行設計，因此要設計合理的墻體厚度，以優化剪力墻的鋼筋用量，保證結構的穩定性。第4，剪力墻上的門窗洞口設置盡量保持較小的墻肢寬度差距，并對齊，避免采用疊合錯洞墻，盡量避免出現豎列方向洞口不在一條直線的問題。外墻開洞較多，要避免削減，否則剪力墻剛度會下降發生扭轉效應。第5，剪力墻形狀應選擇穩定性好的矩形、T 形、L 形等，盡量避免選擇一字墻、短肢剪力墻等。剪力墻要盡量分布在結構的翼緣位置，避免出現偏心部位。

2.2 剪力墻結構設計方法

剪力墻結構設計常用的方法包括準則法、線性規劃法、非線性規劃法及有限元法。其中，準則法以力學理論為基礎，提前設定結構設計后需要達到的準則，若結構設計可以滿足該準則，則表明該設計方案為最優方案。準則法具有效率高、運算簡便的優勢，通常應用于大型結構的設計。

線性規劃法是指在約束條件一定的情況下，用數學方法求取目標函數的極大值或極小值，常用的數學方法包括優選法、數學規劃法等。非線性規劃的約束條件包括2 種—有約束條件和無約束條件。與之對應的結構優化問題也包括2 種，即有約束的優化問題和無約束的優化問題。

非線性規劃也是一種常見的結構設計方法，其按照是否直接處理約束可分為直接法和復形法。此外，非線性規劃法還包括格朗日乘數法、罰函數法等。有限元方法是指以力學原理為基礎，采用計算機程序進行設計，融合多種技術優勢形成的一種結構設計方法，已廣泛應用在高層住宅建筑剪力墻結構設計中。

3 剪力墻結構的設計指標

3.1 剪力墻軸壓比

軸壓比直接關系著剪力墻在地震作用下的塑性變形能力，同等標準下軸壓比與剪力墻的延性成反比，即軸壓比越高，剪力墻延性越小[2]。軸壓比的表達式為：

式中：μN為軸壓比；Nw為重力荷載代表值作用下剪力墻墻肢軸向壓力設計值；Aw為截面面積；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值。具體設計時可以通過設置約束邊緣構件來改善軸壓比，提高剪力墻的塑性變形能力。

3.2 剪力墻剪重比

當結構處于長周期段時，地震影響系數會出現大幅下降，結構受到地震作用時產生的效應也相對較少，但實際地震的影響十分復雜，無法通過結構設計來避免地震的破壞效應，因此相關標準對結構的剪重比做出了強制規定。所謂剪重比即地震作用產生的剪力墻標準與重力荷載代表值的比值，高層建筑樓層最小地震剪力系數如表1 所示[3]。

表1 高層建筑樓層最小地震剪力系數

實際結構計算時，如果結構剪重比不滿足規范要求，可調整結構水平地震總剪力和各樓層水平地震剪力，或者調整結構剛度，直到達到規范要求限值為止。

3.3 剛重比、位移比及周期比

剪力墻剛重比是指結構剛度與重力荷載的比值，高層建筑對于結構整體的穩定性要求更高，而結構的剛度比是決定結構穩定性的重要指標，因此要做好剪力墻結構的剛重比計算。高層剪力墻結構體系中，受到水平荷載作用后剪力墻通常會產生水平位移，發生彎剪型破壞，再受到重力荷載作用后，水平作用產生的位移效應會進一步加劇，最終結構就會由于位移過大而發生變形，結構的安全性也會隨之下降。這個過程就是重力荷載導致的結構二階效應。針對這種情況，剪力墻結構的設計要準確控制剛重比。

位移比是指樓層最大水平位移與對應樓層水平位移平均值的比值，結構平面的規則度會直接影響結構的扭轉程度，限制結構的位移比可以對結構平面扭轉起到一定的控制作用，避免結構產生過大偏心，從而保證結構的穩定性。高層住宅建筑層數多、高度大，建筑對于剪力墻結構的剛度要求要遠遠高于普通建筑，因此需要控制結構的最大位移、層間位移，保證結構的位移比、層間位移比等指標處于合理范圍，以滿足高層建筑對剪力墻的剛度要求。根據相關技術規范要求，A 級高度高層建筑的位移比要控制在該樓層平均值的1.2 倍以內。

周期比是指結構扭轉為主的第一周期與平動為主的第一自振周期的比值，高層剪力墻建筑中，在限制結構扭轉變形時不僅要控制結構的位移比，還要限制其周期比。一般情況下，結構的偏心率較小時，扭轉位移比往往能夠滿足規范限值要求，但周期比可能無法滿足，因此必須確保周期比與位移比同時滿足規范要求，才能保證結構抗扭剛度。如果結構偏心率較大，扭轉位移比能夠滿足規范限值，則周期比也能夠滿足。相關技術規范要求A 級高度高層建筑周期比要控制在0.9以內[4]。

4 高層住宅建筑剪力墻結構設計實例

為更好地闡述高層住宅建筑剪力墻結構的設計要點，本文以某高層住宅樓為例進行分析，該樓的建筑總面積為19830 m2，地上24 層，地下3 層，抗震設防為丙類，設施烈度為8 度，設計的地震加速度取0.2 g。

4.1 剪力墻墻體厚度

建筑體量、抗震烈度、是否設置端柱等條件會對高層住宅建筑的剪力墻厚度設計產生影響，一般情況下要求剪力墻墻體的最小厚度滿足表2 的要求，以保證墻體的整體剛度，避免其發生失穩而出現破壞現象[5]。

表2 墻體厚度

4.2 連梁設計

剪力墻結構設計要注意合理控制連梁的跨高比，連梁跨高比通常不超過2.5 ～5.0，以避免出現連梁超限的問題。連梁的具體設計如下：

1）通過剛度折減系數綜合調整連梁的彎矩、剪力，并進行塑形調幅，塑形調幅可在計算內力信息時折減連梁剛度，也可以在完成內力計算后將連梁彎矩和剪力組合值乘以折減系數。無論選擇哪種方法均可以減小連梁內力及配筋值，降低連梁彎矩設計值后其余部分彎矩設計值隨之增加[6]。

2）增加洞口寬度，降低連梁高度，以減小連梁剛度，將地震作用對連梁的影響降至最低。

3）增加混凝土強度。混凝土的強度等級越高，結構的彈性模量越大，只有彈性模量的比例大于混凝土承受的剪力承載力提升比例時，連梁的受剪承載車才不會超過限制，才能進一步保證連梁結構的穩定性及安全性。

4）增加結構剛度。根據實際情況做好連梁截面的寬度設計，不僅能夠增加整體結構的剛度，還可以提升連梁的強度，進一步提高結構的安全性、穩定性。連梁的受剪承載力與梁寬值成正比，連梁的結構剛度及承載力也更符合設計要求。連梁上不得直接支撐樓面主梁，否則連梁結構可能會出現明顯縫隙，連梁支撐要保證端點部位采用鉸接的方式連接支撐。

4.3 墻肢設計

墻肢設計也是整個結構設計的重點內容，作為重要的支撐構件，墻肢設計需要合理控制其厚度，如果高層住宅建筑無特殊要求，墻肢的厚度通常控制在20 cm 以內[7]；如果有特殊要求則需要根據具體要求適當調整墻肢厚度。高層建筑的高度增加，也要隨之調整墻肢厚度，并采用雙向布置的剪力墻結構，保證兩個方向的自振周期接近。此外，結構采用長墻肢時需要考慮長墻肢的延展性，特別是細高形狀的剪力墻需要測試墻體的彎曲性能，制定合理的處理方案，避免工程后期出現剪力墻損壞的問題。若剪力墻墻體截面積較小無法保證結構的承載力，則需要采用箍筋加固技術提高結構承載力。

5 結語

在高層剪力墻建筑中，剪力墻作為主要的抗側、抗扭構件，發揮著不可替代的作用，既要承受結構自重荷載，又要抵抗水平地震和風荷載作用。

本文在現有研究的基礎之上，基于實際的工程案例進行剪力墻的設計，以此保證在不影響建筑項目質量的前提下降低工程成本，提高業主的經濟效益。