芻議高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、芻議高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要：隨著社會(huì)的發(fā)展，高層建筑已成為城市建筑、生活的主流。剪力墻是鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)中不可缺少的構(gòu)件，本文從剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本概念談起，介紹了剪力墻設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)布置、參數(shù)控制、構(gòu)件計(jì)算配筋幾個(gè)方面進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞：高層建筑；剪力墻；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引言：剪力墻結(jié)構(gòu)是由一系列縱向、橫向剪力墻及梁、板所組成的空間結(jié)構(gòu)，承受豎向荷載和水平荷載，是高層建筑中常用的結(jié)構(gòu)形式。由于縱向、橫向剪力墻在其自身平面內(nèi)的剛度都很大，在水平荷載的作用下，側(cè)移較小，因此這種結(jié)構(gòu)抗震及抗風(fēng)性能都較強(qiáng)，適宜于建造層數(shù)較多的高層建筑。結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該在剪力墻設(shè)計(jì)中把握要點(diǎn)，使結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)。本文對(duì)高層建

2、筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的問題進(jìn)行了探討。 一、剪力墻的基本概念 剪力墻結(jié)構(gòu)是用鋼筋混凝土墻板來代替框架結(jié)構(gòu)中的梁柱，能承擔(dān)各類荷載引起的內(nèi)力，并能有效控制結(jié)構(gòu)的水平力，這種用鋼筋混凝土墻板來承受豎向和水平力的結(jié)構(gòu)稱為剪力墻結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在高層建筑中被大量運(yùn)用。剪力墻截面特點(diǎn)是墻肢長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于厚度，自身平面內(nèi)具有很大的剛度和承載力，平面外剛度和承載力都相對(duì)較小，墻肢屬于偏心受壓或偏心受拉構(gòu)件。同時(shí)在剪力墻結(jié)構(gòu)中，墻是一個(gè)平面構(gòu)件，它除了承受沿其平面作用的水平剪力和彎矩外，還承擔(dān)豎向壓力；在軸力、彎矩、剪力的復(fù)合狀態(tài)下工作，其受水平力作用時(shí)似一底部嵌固于基礎(chǔ)上的懸臂深梁。在地震作用或風(fēng)載下剪力

3、墻除須滿足剛度強(qiáng)度要求外還必須滿足非彈性變形反復(fù)循環(huán)下的延性、能量耗散和控制結(jié)構(gòu)裂而不倒的要求。 二、合理的結(jié)構(gòu)布置 結(jié)構(gòu)的布置對(duì)建筑物的抗震性能有巨大的影響，合理的結(jié)構(gòu)布置是結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)的前提。主要從平面和豎向布置兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。 (一)平面布置原則。高層建筑結(jié)構(gòu)平面形狀宜簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱，剛度和承載力分布均勻，宜沿兩個(gè)主軸方向或其他方向雙向布置，兩個(gè)方向的側(cè)向剛度不宜相差過大，不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的平面形狀，這樣可以減少扭轉(zhuǎn)的影響。宜選用風(fēng)壓較小的形式，還必須考慮有利于抵抗水平作用和豎向荷載，受力明確、傳力直接。 (二)豎向布置原則。豎向布置應(yīng)使體型規(guī)則、均勻，避免有較大的外挑和內(nèi)收，避

4、免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力突變。剪力墻結(jié)構(gòu)為了底部大空間的需要，底層或底層若干層剪力墻不落地，可能產(chǎn)生剛度突變，這時(shí)應(yīng)盡量增加其他落地剪力墻，柱或筒體的截面尺寸，并適當(dāng)提高相應(yīng)樓層混凝土的等級(jí)，使剛度的變化減少。 三、剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分發(fā)揮各抗側(cè)力構(gòu)件的作用，在確保安全的前提下做到經(jīng)濟(jì)合理。規(guī)范用各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行了限定，包括位移角，位移比，周期比，剛度比，樓層受剪承載力比等，同時(shí)也對(duì)具體構(gòu)件的設(shè)計(jì)指標(biāo)做了限定，包括軸壓比，配筋率，配箍率等。但是滿足了規(guī)范的要求僅僅只是滿足了安全性問題，我們還要兼顧經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)，只有安全、經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)才是合理的設(shè)計(jì)

5、，反過來一個(gè)合理的設(shè)計(jì)最終必然是安全、經(jīng)濟(jì)的。在剪力墻結(jié)構(gòu)中，墻體的數(shù)量和布置是對(duì)合理性影響巨大的部分，在安全性上，剪力墻是主要的抗側(cè)力構(gòu)件，在經(jīng)濟(jì)性上，剪力墻也占據(jù)了一大部分的工程成本。剪力墻數(shù)量應(yīng)盡量減少，當(dāng)存在其他抗側(cè)力構(gòu)件如框架柱時(shí)，還應(yīng)滿足在基本振型地震作用下，剪力墻部分承受的地震傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50。同時(shí)，規(guī)范規(guī)定框架部分承擔(dān)的地震剪力至少為底部總剪力的2O，或各層框架承擔(dān)的地震總剪力中最大值的15倍。當(dāng)框架部分承擔(dān)的剪力無法滿足規(guī)范要求時(shí)，應(yīng)對(duì)框架地震剪力進(jìn)行調(diào)整 ，以確保在設(shè)防地震，罕遇地震時(shí)剪力墻先于框架破壞后，由于塑性內(nèi)力重分布引起的框架分配的地震剪力加大的

6、情況，使框架部分成為有效的抗震第二道防線。 下面是對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中須重點(diǎn)關(guān)注的幾種技術(shù)指標(biāo)的調(diào)整原則的淺析，若有不對(duì)之處，請(qǐng)廣大同行指正。 1、樓層最小剪力系數(shù)（剪重比）的調(diào)整原則在滿足短肢剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩占結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩不超過40%的前提下盡可能少布置剪力墻，以大開間剪力墻布置方案為目標(biāo)，使結(jié)構(gòu)具有適宜的側(cè)向剛度，使樓層最小剪力系數(shù)接近規(guī)范限值（不小于限值）。這樣能夠減輕結(jié)構(gòu)自重，有效減小地震作用的輸入，同時(shí)降低工程造價(jià)。 2、樓層層間最大位移與層高之比（位移）的調(diào)整原則規(guī)范規(guī)定多遇地震作用標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的樓層最大的彈性層間位移在計(jì)算時(shí)，除以彎曲變形為主的高層建筑外，可不

7、扣除結(jié)構(gòu)整體彎曲變形，應(yīng)計(jì)入扭轉(zhuǎn)變形。由此可見，對(duì)于一般的高層建筑，重點(diǎn)是樓層間的剪切變形及扭轉(zhuǎn)變形。剪切變形的控制是以豎向構(gòu)件的多少來決定的，但豎向構(gòu)件足夠多（剪重比偏大）而布置不合理，則會(huì)造成扭轉(zhuǎn)變形過大，同樣不能滿足層間位移的要求。因此，對(duì)于高層建筑應(yīng)盡可能使扭轉(zhuǎn)變形最小，而不能僅根據(jù)層間位移不夠不加分析地增加豎向構(gòu)件的剛度。 3、結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt 與平動(dòng)為主的第一自振周期T1 之比（周期 比）的調(diào)整原則第一自振周期Tt 之比（周期比）的調(diào)整原則新高規(guī)A、B級(jí)區(qū)分規(guī)定，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期T1 之比，A級(jí)高層建筑不應(yīng)大于0.90，B級(jí)高層建筑不

8、應(yīng)大于0.85。限定周期比是使抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置更有效、更合理，使結(jié)構(gòu)不至于出現(xiàn)過大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)將結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件盡可能沿建筑周邊布置，降低結(jié)構(gòu)中間構(gòu)件的剛度，這樣既可以提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，同時(shí)又能較大幅度的提高結(jié)構(gòu)的整體剛度。 4、剪力墻連梁超限的調(diào)整原則剪力墻連梁的跨高比不宜小于2.5，跨高比小于2.5的連梁很容易出現(xiàn)剪力和彎矩超過規(guī)范限值，且縱筋最大配筋率大幅降低，不利工程設(shè)計(jì)。高規(guī)規(guī)定跨高比不小于5的連梁宜按框架梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。即跨高比不小于5的連梁剛度不應(yīng)折減。而跨高比在56間時(shí)，若連梁剛度不折減則也易出現(xiàn)剪力或彎矩超限。本人認(rèn)為該條文在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中若能充分利用，則對(duì)

9、節(jié)省工程造價(jià)有非常明顯的影響，即將跨高比不大于5的連梁（抗震計(jì)算時(shí)折減） 和減小剪力墻墻肢長(zhǎng)度使連梁跨高比變?yōu)榇笥? 的框架梁（剛度不折減），而后者的鋼筋及混凝土用量均小于前者，這對(duì)于節(jié)省工程投資具有很重要的意義。 四、剪力墻設(shè)計(jì) 剪力墻所承受的豎向荷載，一般是結(jié)構(gòu)自重和樓面荷載，通過樓面?zhèn)鬟f到剪力墻。豎向荷載除了在連梁（門窗洞口上的梁）內(nèi)產(chǎn)生彎矩以外，在墻肢內(nèi)主要產(chǎn)生軸力?？梢园凑占袅Φ氖芎擅娣e簡(jiǎn)單計(jì)算。在水平荷載作用下，剪力墻受力分析實(shí)際上是二維平面問題，精確計(jì)算應(yīng)按照平面問題進(jìn)行求解?？山柚谟?jì)算機(jī)，用有限元方法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算精度高，但工作量較大。在工程設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)不同類型剪力墻的

10、受力特點(diǎn)，進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。整體墻和小開口整體墻：在水平力的作用下，整體墻類似于一懸臂柱，可以按照懸臂構(gòu)件來計(jì)算整體墻的截面彎矩和剪力。小開口整體墻，由于洞口的影響，墻肢間應(yīng)力分布不再是直線，但偏離不大?？梢栽谡w墻計(jì)算方法的基礎(chǔ)上加以修正。聯(lián)肢墻：聯(lián)肢墻是由一系列連梁約束的墻肢組成，可采用連續(xù)化方法近似計(jì)算。壁式框架：壁式框架可以簡(jiǎn)化為帶剛域的框架，用改進(jìn)的反彎點(diǎn)法進(jìn)行計(jì)算?？蛑Ъ袅烷_有不規(guī)則洞口的剪力墻：此兩類剪力墻比較復(fù)雜，最好采用有限元法借助于計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算?？蚣芙Y(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)體系在水平荷載下的變形規(guī)律是完全不同的?？蚣艿膫?cè)移曲線是剪切型，曲線凹向原始位置；而剪力墻的側(cè)移曲

11、線是彎曲型，曲線凸向原始位置。在框架剪力墻（以下簡(jiǎn)稱框剪）結(jié)構(gòu)中，由于樓蓋在自身平面內(nèi)剛度很大，在同一高度處框架、剪力墻的側(cè)移基本相同。這使框剪結(jié)構(gòu)的側(cè)移曲線既不是剪切型，也不是彎曲型，而是一種彎、剪混合型，簡(jiǎn)稱彎剪型。在結(jié)構(gòu)底部，框架將把剪力墻向右拉；在結(jié)構(gòu)頂部，框架將把剪力墻向左推。因而，框剪結(jié)構(gòu)底部側(cè)移比純框架結(jié)構(gòu)的側(cè)移要小一些，比純剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)移要大一些；其頂部側(cè)移則正好相反。框架和剪力墻在共同承擔(dān)外部荷載的同時(shí)，二者之間為保持變形協(xié)調(diào)還存在著相互作用?？蚣芎图袅χg的這種相互作用關(guān)系，即為協(xié)同工作原理。 五、優(yōu)化高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的措施 1、避免出現(xiàn)獨(dú)立小墻肢與剪力墻剛度不宜

12、過大 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(簡(jiǎn)稱高規(guī))中規(guī)定，墻肢截面高度與厚度之比不大于4時(shí)，宜按框架柱進(jìn)行截面設(shè)計(jì)，比值大于4，不小于8時(shí)，為短肢剪力墻，一旦出現(xiàn)短肢剪力墻的情況，規(guī)范對(duì)墻肢軸壓比、配筋等都有更加嚴(yán)格的限制，設(shè)計(jì)施工都比較困難。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，獨(dú)立小墻肢基本上可以通過合并洞口等方法消除，或合理布置剪力墻，使小墻肢成為墻體翼緣，其受力狀態(tài)明顯好于獨(dú)立小墻肢，僅適當(dāng)加強(qiáng)配筋即可。同時(shí)剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的延性，細(xì)高的剪力墻容易設(shè)計(jì)成彎曲破壞的延性剪力墻，從而可避免脆性的剪切破壞。 2、注重轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 高層建筑功能和形式日益多樣化，當(dāng)多功能綜合大樓要求一棟建筑物的上部伸部)和下部使用功能

13、不同時(shí)，結(jié)構(gòu)布置也要相應(yīng)改變，要設(shè)置轉(zhuǎn)換構(gòu)件銜接上下結(jié)構(gòu)，傳遞內(nèi)力，設(shè)置轉(zhuǎn)換構(gòu)件的樓層稱為轉(zhuǎn)換層。因此，對(duì)于高位轉(zhuǎn)換的底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)慎重設(shè)計(jì)。由于高位轉(zhuǎn)換時(shí)剛度和質(zhì)量較大的轉(zhuǎn)換層升高，調(diào)整轉(zhuǎn)換層本身及其上、下的剛度比使之接近是必要的，轉(zhuǎn)換層本身的剛度和質(zhì)量不宜大，最終可通過水平力作用下精確的空間分析檢查轉(zhuǎn)換層附近的層間位移角是否基本均勻。宜盡量選用剛度和重量較小的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算時(shí)應(yīng)多取參與組合的振型數(shù)。通過計(jì)算仔細(xì)分析可能存在的薄弱部位，研究具體的內(nèi)力分配特點(diǎn)，通過調(diào)整內(nèi)力和構(gòu)件配筋設(shè)計(jì)改善薄弱部位的性能。 3、優(yōu)化連梁設(shè)計(jì) 根據(jù)高規(guī)在連梁設(shè)計(jì)方面的規(guī)定，對(duì)于連

14、梁非抗震及抗震設(shè)計(jì)時(shí)高跨比大于25及小于25兩種情況在截面受剪承載力及配筋方面有不同規(guī)定。為此應(yīng)將連梁進(jìn)行塑性調(diào)幅，以降低剪力設(shè)計(jì)值。塑性調(diào)幅可采用兩種方法：(1)在內(nèi)力計(jì)算前將連梁剛度進(jìn)行折減；(2)在內(nèi)力計(jì)算之后，將連梁彎矩和剪力組合值乘以折減系數(shù)。無論采用何種方法連梁調(diào)整后的彎矩、剪力設(shè)計(jì)值不應(yīng)低于使用狀況的值，也不宜低于比設(shè)防烈度低一度的地震組合所得的彎矩設(shè)計(jì)值，以避免在正常使用條件下或較小的地震作用下連梁出現(xiàn)裂縫。同時(shí)要注重連梁的固結(jié)處理。 4、加強(qiáng)部位的設(shè)計(jì) 在剪力墻設(shè)計(jì)時(shí)，一般高層剪力墻結(jié)構(gòu)，底部加強(qiáng)部位的高度可取嵌固部位以上墻肢總高度的110和底部?jī)蓪痈叨榷叩妮^大值；底部帶轉(zhuǎn)

15、換層的高層建筑結(jié)構(gòu)，其剪力墻底部加強(qiáng)部位的高度可取框支層加上框支層以上2層的高度及墻肢總高度的110二者的較大值。當(dāng)將地下室頂板視作嵌固部位，在地震作用下的屈服部位將發(fā)生在地上樓層，同時(shí)將影響到地下1層，此時(shí)地下1層的抗震等級(jí)不能降低，加強(qiáng)部位的范圍應(yīng)向下延伸到地下1層，并根據(jù)不同的抗震等級(jí)設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件或約束邊緣構(gòu)件。 5、剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)及概念設(shè)計(jì) 振動(dòng)臺(tái)模擬地震試驗(yàn)結(jié)果表明建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢、底部外圍的小墻肢、連梁等是剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)有扭轉(zhuǎn)效應(yīng)建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢會(huì)首先開裂；在地震作用下，高層剪力墻結(jié)構(gòu)將以整體彎曲變形為主，底部外圍的小墻肢，截面面

16、積小且承受較大的豎向荷載破壞嚴(yán)重，尤其“一”字形小墻肢破壞最嚴(yán)重；在剪力墻結(jié)構(gòu)中，由于墻肢剛度相對(duì)減小，使連梁受剪破壞的可能性增加。因此，在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)這些薄弱環(huán)節(jié)，更應(yīng)加強(qiáng)概念設(shè)計(jì)和抗震構(gòu)造措施。例如，剪力墻在平面上分布要求均勻，使其鋼度中心和建筑物質(zhì)中心盡量接近，以減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；適當(dāng)增加建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢厚度(宜取250mm，對(duì)低部外圍的小墻肢根據(jù)需要可取用300ram)，加強(qiáng)墻肢端部的暗柱配筋，嚴(yán)格控制墻肢截面的軸壓比，以提高墻肢的承載力延性，高層結(jié)構(gòu)中連梁是一個(gè)耗能構(gòu)件，連梁的剪切破壞會(huì)使結(jié)構(gòu)的延性降低，對(duì)抗震不利，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意對(duì)連梁進(jìn)行“強(qiáng)剪弱彎”的驗(yàn)算，保證連梁的

17、受彎屈服先于剪切破壞；剪力墻宜在兩個(gè)方向均有梁與之拉結(jié)，連梁)宜布置在各肢的平面內(nèi)，避免采用“一”字形墻肢；剪力墻底部加強(qiáng)部位的配筋應(yīng)符合規(guī)范要求等。 結(jié)束語： 高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過文章從結(jié)構(gòu)的布置，判斷結(jié)構(gòu)整體合理性和剪力墻設(shè)計(jì)以及優(yōu)化剪力墻設(shè)計(jì)措施等幾個(gè)方面進(jìn)行了論述，貫穿了整個(gè)設(shè)計(jì)過程。總之，在剪力墻設(shè)計(jì)中應(yīng)該明確各種概念，嚴(yán)格遵守規(guī)范，這樣才能使剪力墻結(jié)構(gòu)滿足使用的需要并且有優(yōu)良的抗震性能。 參考文獻(xiàn)： 【1】 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ3-2010 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002 【2】 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB500112010北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社2010 【3】 彭偉高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理成都：西南交通大學(xué)出版社2004 【4】 黃