淺談解決剪力墻結構在軟件教學應用中出現的若干問題

摘要：通過應用PKPM軟件對剪力墻結構進行結構建模、參數設置、內力位移計算，再結合相應規范對一些較難理解的知識點深入分析，加強學生熟練應用結構設計軟件的同時，更注重培養他們具備發現問題、分析問題、解決問題的能力。

關鍵詞：PKPM軟件; 剪力墻結構; 規范

中國分類號：G642.0A

［定稿日期］2022-04-06

［作者簡介］郭培成（1978—），男，碩士，副教授，主要從事土木工程專業的教學與研究工作。

1 PKPM軟件介紹

PKPM是三維空間設計軟件，從20世紀90年代至今不斷積累、不斷完善，可以有效協助結構工程師完成框架結構、剪力墻結構、筒體結構等體系的建模運算，大大減少了計算的工作量有效提高了設計行業的效率。在分析處理模型過程中，能夠真實地反應實體建筑物的受力及變性特征，得到了行業人員廣泛的認可。包括結構設計、煙囪設計、高聳結構設計、無梁樓蓋設計、異性板樓板設計、樓梯設計、基礎設計、大跨度設計等模塊［1］，滿足設計領域的各個方面。軟件與JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》、GB 50011-2010 （2016年版）《建筑抗震設計規范》、GB 50010-2010（2015年版）《混凝土結構設計規范2012》、GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》緊密結合，在學習過程中，不僅熟悉了軟件的操作及應用，而且也加深了對專業課程的鞏固和掌握。

2 剪力墻結構

剪力墻也成為抗震墻，由實心鋼筋混凝土組成。剪力墻結構是指由鋼筋混凝土承受水平力與豎向力，不考慮內部框架梁與連梁的貢獻?？蚣芰菏侵竷啥伺c剪力墻平面內連接，且梁的計算跨度與截面高度之比大于5，以單跨為主，主要內力特征剪力較小、彎矩較大；連梁是指兩端與剪力墻平面內連接，且梁的計算跨度與截面高度之比小于5，均為單跨梁，主要內力特征剪力較大、彎矩較小。剪力墻墻體豎向樓面活荷載進行折減參照規范［2］。

2.1 長肢剪力墻、短肢剪力墻判斷

長肢剪力墻是指肢長與肢厚之比大于8，也成為普通剪力墻或剪力墻，在工程設計過程中應用較多，受力與變形特征較好；短肢剪力墻是指肢長與肢厚之比大于5且小于8，延性耗能較差，應用范圍受限。剪力墻結構中可以適當布置少量短肢墻，但短肢墻部分承擔的底部地震傾覆力矩不宜大于50%，為了工程的安全及經濟效果，同時結合大量工程經驗參考，一般控制在30%以內；同樣短肢剪力墻結構也容許長肢剪力墻的出現，較多的短肢剪力墻結構是指承擔底部地震傾覆力矩大于30%且小于50%。長肢剪力墻、短肢剪力墻與長肢剪力墻結構、短肢剪力墻結構區別，前者是構件或單體，后者是結構體系屬于整體，這點學生有時理解會出現錯誤。

2.2 剪力墻截面形式

剪力墻截面包括一字形、L形、T形、十字形等，考慮到剪力墻在平面內、平面外剛度的懸殊差異，一般常用的截面L 形和T形。由于剪力墻結構布置不如框架結構靈活，有時會影響到建筑功能，在設計過程中盡量避免墻肢太長。剪力墻布置的間距不宜太大，在2個主軸都應設置，盡量在不影響使用狀態下，使墻肢均在同一水平線上，這樣有利于整體剛度變大，側向位移減小，降低整體房屋的造價。

2.3 剪力墻結構的最大適用高度

剪力墻結構的最大適用高度與設防烈度、風荷載、風向、層高等因素有關，一般6（0.05g）、7（0.10g 、0.15g）、8（0.20g、0.30g）、9（0.40g）度設防區，可以達到的經濟適用高度分別為140 m、120 m、100 m（0.30g為80 m）、60 m，設防烈度區越大地震作用越顯著，房屋適用高度就隨之越低。剪力墻結構整體剛度遠大于框架結構，在高層住宅領域得到了廣泛的使用。剛度與構件尺寸及混凝土標號有關，混凝土標號越大彈性模量越大［3］。

3 如何解決設計中出現的問題

剪力墻結構較框架結構理解起來難度會增大，概念多且抽象，計算公式復雜，這也導致學生在學習理論知識與PKPM軟件時困惑較多，下面針對教學過程中不容易理解的概念進行分析。

3.1 如何選擇剪力墻厚度、截面形式

一、二級剪力墻底部加強部位不應小于200 mm，其他部位不應小于160 mm； 三、四級剪力墻不應小于160 mm［4］。高貴規定?？拐饓Φ暮穸?，一、二級不應小于160 mm且不宜小于層高或無支長度的1／20，三、四級不應小于140 mm［5］。在工程上一般剪力墻厚度選擇250 mm、200 mm居多，層數較多的建筑物可能下部分位置需要300 mm。考慮到填充墻厚度與梁寬相同，剪力墻厚度過小梁中縱向受力鋼筋布置比較困難，因此承重墻體厚度不宜太小。實際工程中如果剪力墻間距不大，梁跨度較小，剪力墻厚度可以適當降低。剪力墻截面形式有L形、T形，一字形和十字形，為了最大程度發揮剪力墻的剛度與強度及經濟效果，截面形式通常采用L形、T形，一字形和十字形剪力墻在工程上使用較少。L形、T形不是滿足形狀要求即可，而是2個方向長厚比分別大于8與3，不滿足判定的標準則屬于一字形剪力墻，穩定性相對較差，須改變長厚比使其滿足判定要求。剪力墻在同一位置從下至上長度不改變，厚度與混凝土標號可以依次減小，考慮到作用力的減小以及經濟效果，下部墻肢滿足長肢墻構造要求即可，否則不僅增加浪費，還可能造成局部剛度不均勻。

3.2 部分框支剪力墻結構

由于為了滿足建筑功能的需要，底部需要較大空間，將底部若干片剪力墻刪除，采用框支柱KZZ代替，稱之為部分框支剪力墻結構。該結構屬于復雜建筑物，在設計過程中通過結構措施來改善底部的剛度，如控制落地剪力墻的間距、適當增加落地剪力墻的厚度與混凝土等級、加強轉化層樓板厚度及配筋率等。該建筑物多用在底部是商場、酒店，上部為普通住宅樓，從上世紀90年代至今，得到了廣泛地應用，我國在這方面也積累了大量的經驗。一般在工程上轉化層的樓層數越少越好，尤其在地震設防烈度較高的區域應嚴格控制。但隨著減震隔震技術的成熟應用，大大降低了地震作用，部分框支剪力墻結構通過采用該技術可以適當增加轉化層數或在高烈度區域使用。

3.3 底部加強度區高度的判定

底部加強部位的高度，應從地下室頂板算起；底部加強部位的高度可取底部2層和墻體總高度1／10的兩者的較大值。底部加強部位的設置，主要考慮到底部受力較大及推遲塑性鉸出現的時間，在具體設計過程中應將約束邊緣構件向上延伸一層。在結構模型中，該部分的墻厚度或配筋率高于相鄰層。

3.4 約束邊緣構件與構造邊緣構件判定

一級剪力墻底層墻肢底截面的軸壓比大于0.1（9度設防）、0.2（6、7、8度設防），二、三級剪力墻底層墻肢底截面的軸壓比0.3時，應在底部加強部位及相鄰的上一層設置約束邊緣構件；其它部位設置構造邊緣構件。軸壓比未超出相應的規定，任何部位設置構造邊緣構件即可。剪力墻的約束邊緣構件可為暗柱、端柱和翼墻，約束邊緣構件沿墻肢的長度、箍筋配箍特征值、體積配箍率，應符合縣官計算和構造規要求，具體參照JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》表7.2.15、GB 50011-2010（2016年版）《建筑抗震設計規范》表6.4.5-3。軸壓比計算過程中注意僅僅考慮豎向力作用下，即重力荷載代表值作用下不包括水平地震作用，這一點學生在理解的時候會有些困惑。在確定約束邊緣構件或構造便于構件時，學生常常會混淆，因此熟悉規范至關重要。

3.5 連梁出現超筋如何解決

連梁剛度大、剪力較大且彎矩較小，為了實現延性破壞，通過強剪弱彎來改善其脆性特征。在設計中分為2種方式形成連梁：一是在剪力墻上開設洞口形成，二是在兩端墻上直接布置連梁，前者剛度較大。在設計中抗剪不滿足要求時一般通過以下方式進行解決：在滿足整體剛度的情況下適當減小連梁截面高度，增加跨高比降低剛度，從而減小其分擔的剪力；當連梁破壞對承受豎向荷載無明顯影響時，可按獨立墻肢進行第二次多遇地震作用下的內力分析，墻肢截面應按兩次計算的較大值計算配筋［4］；適當減小連梁的彎矩塑性調幅系數；條件允許的話可以適當增加連梁混凝土比標號；設置雙層連梁即寬度不變，將原高度分成2段高度分別進行布置。連梁在地震作用下會先于剪力墻發生破壞，消耗地震能量，從而減小剪力墻發生的概率或降低其破壞帶來的危害。

3.6 墻身水平和豎向鋼筋的選擇

墻身水平和豎向鋼筋分別承受剪力與彎矩的作用，由于剪力墻本身的剛度和承載力較大，其內部鋼筋除了滿足基本的承受外力作用，還有改善其延性的效果。水平和豎向分布鋼筋的間距均不宜大于300 mm，直徑不應小于8 mm且不宜大于墻厚的1/10，一、二、三級時均不應小于0.25％［5］。例如抗震等級二級，250 mm厚的剪力墻，水平和豎向鋼筋要滿足PKPM計算和構造兩者的較大值。計算結果墻身水平鋼筋H1.1，表示水平2根鋼筋面積和為110 mm2，直徑初步選定2根8 mm鋼筋；對構造計算進行驗算分析，取水平鋼筋直徑8 mm，鋼筋面積50.3 mm2，面積為100.6 mm2；鋼筋間距200 mm，墻厚度250 mm ，面積50 000 mm2，結果為0.2012%，不滿足0.25%的要求，故最終確定鋼筋為10 mm，要同時滿足計算和構造2個要求，可以通過繼續減小鋼筋間距或增加直徑來處理。水平鋼筋放在外邊，豎向鋼筋放在內側。剪力墻墻身水平和豎向鋼筋結合計算和構造進行配置，在大多數工程計算結果的分析中可以發現，計算結果較大一般發生在底部幾層或墻厚度發生改變時，由于豎向重力荷載代表值從下至上依次減小，對于其它層一般計算值與構造比較接近。

3.7 剪力墻結構位移

剪力墻結構同其它結構體系一樣，隨房屋高度越高頂部水平位移越大，位移控制仍是設計中最主要的一部分，框架結構通過改變框架柱、框架梁截面尺寸來處理位移的問題。剪力墻結構在處理位移角較大時需要從以下幾方面進行：位移角超出規范限值1/1000［4］，但比較接近時可以通過改變連梁、框架梁截面高度最有效，不宜將墻肢加長；位移角超出規范限值

較多時，整體結構剛度偏小，宜加長短邊邊緣方向墻肢長度，從外向內依次改變。剪力墻結構位移角最大發生在四周短邊方向，大多數工程一般控制在1/1100～1/1050左右。

4 結束語

首先，在學習過程中認真閱讀JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》、GB 50011-2010（2016年版）《建筑抗震設計規范》，對結構概念要清晰，掌握基本的構造要求；其次，熟悉建筑圖紙，學會剪力墻的布置原則，特別是2個主軸方向的剛度盡量接近，避免剛度相差較大引起扭轉［5］；最后，對于框架梁、連梁出現問題要清楚判斷其原因，找出最有效的方法進行解決。

參考文獻

［1］ 張宇鑫， 劉海成， 張星源.PKPM結構設計應用［M］.2版.上海： 同濟大學出版社，2010.

［2］ 中華人民社共和國國家標準 .建筑結構荷載規范： GB 5009—2012［S］.中國建筑工業出版社.

［3］ 中華人民社共和國國家標準.混凝土結構設計規范： GB50011—2010［S］.北京： 中國建筑工業出版社.

［4］ 中華人民社共和國國家標準.高層建筑混凝土結構技術規程： JGJ3-2010［S］. 北京：中國建筑工業出版社.

［5］ 中華人民社共和國國家標準.建筑抗震設計規范： GB50011—2010［S］. 北京：中國建筑工業出版社.