淺談剪力墻設(shè)計(jì)

王勛璽

[摘要]剪力墻結(jié)構(gòu)中，墻是一平面構(gòu)件，它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，其受水平力作用下似一底部嵌固于基礎(chǔ)上的懸臂深梁。在地震作用或風(fēng)載下剪力墻除需滿足剛度強(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：墻肢必須能防止墻體發(fā)生脆性剪切破壞，因此注意盡量將剪力墻設(shè)計(jì)成延性彎曲型。

[關(guān)鍵詞]結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；剪力墻

1.1剪力墻高和寬尺寸較大但厚度較小，幾何特征像板，受力形態(tài)接近于柱，而與柱的區(qū)別主要是其長(zhǎng)度與厚度的比值，當(dāng)比值小于或等于4時(shí)可按柱設(shè)計(jì)，當(dāng)墻肢長(zhǎng)與肢寬之比略大于4或略小于4時(shí)可視為為異形柱，按雙向受壓構(gòu)件設(shè)計(jì)。

1.2剪力墻結(jié)構(gòu)中，墻是一平面構(gòu)件，它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，其受水平力作用下似一底部嵌固于基礎(chǔ)上的懸臂深梁。在地震作用或風(fēng)載下剪力墻除需滿足剛度強(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：墻肢必須能防止墻體發(fā)生脆性剪切破壞，因此注意盡量將剪力墻設(shè)計(jì)成延性彎曲型。

1.3實(shí)際工程中剪力墻分為整體墻和聯(lián)肢墻：整體墻如一般房屋端的山墻、魚骨式結(jié)構(gòu)片墻及小開(kāi)洞墻。整體墻受力如同豎向懸臂，當(dāng)剪力墻墻肢較長(zhǎng)時(shí)，在力作用下法向應(yīng)力呈線性分布，破壞形態(tài)似偏心受壓柱，配筋應(yīng)盡量將豎向鋼筋布置在墻肢兩端；為防止剪切破壞，提高延性應(yīng)將底部截面的組合設(shè)計(jì)內(nèi)力適當(dāng)提高或加大配筋率；為避免斜壓破壞墻肢不能過(guò)小也不宜過(guò)長(zhǎng)，以防止截面應(yīng)力相差過(guò)大。

聯(lián)肢墻是由連梁連接起來(lái)的剪力墻，但因一般連梁的剛度比墻肢鋼度小得多，墻肢單獨(dú)作用顯著，連梁中部出現(xiàn)反彎點(diǎn)要注意墻肢軸壓比限值。

壁式框架：當(dāng)剪力墻開(kāi)洞過(guò)大時(shí)形成寬梁、寬柱組成的短墻肢，構(gòu)件形成兩端帶有剛域的變截面桿件，在內(nèi)力作用下許多墻肢將出現(xiàn)反彎點(diǎn)，墻已類似框架的受力特點(diǎn)，因此計(jì)算和構(gòu)造應(yīng)按近似框架結(jié)構(gòu)考慮。

綜上所述，設(shè)計(jì)剪力墻時(shí)，應(yīng)根據(jù)各型墻體的特點(diǎn)，不同的受力特征，墻體內(nèi)力分布狀態(tài)并結(jié)合其破壞形態(tài)，合理地考慮設(shè)計(jì)配筋和構(gòu)造措施。

1.4墻的設(shè)計(jì)計(jì)算是考慮水平和豎向作用下進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析，求得內(nèi)力后按偏壓或偏拉進(jìn)。行正截面承載力和斜截面受剪承載力驗(yàn)算。當(dāng)受較大集中荷載作用時(shí)再增加對(duì)局部受壓承載力驗(yàn)算。在剪力墻承載力計(jì)算中，對(duì)帶翼墻的計(jì)算寬度按以下情況取其小值：即①剪力墻之間的間距；②門窗洞口之間的翼緣寬度；③墻肢總高度的1/10；④剪力墻厚度加兩側(cè)翼墻厚度各6倍的長(zhǎng)度。

1.5為了保證墻體的穩(wěn)定性及便于施工，使墻有較好的承載力和地震作用下耗散能力，規(guī)范要求一、二級(jí)抗震墻時(shí)墻的厚度應(yīng)≥160mm，底部加強(qiáng)區(qū)宜≥200mm，三、四級(jí)抗震等級(jí)時(shí)應(yīng)≥140mm，豎向鋼筋應(yīng)盡量配置于約束邊緣。

以上所述的剪力墻設(shè)計(jì)中的概念問(wèn)題可能絕大部分設(shè)計(jì)人員都懂，但實(shí)際應(yīng)用到工程設(shè)計(jì)中，施工圖紙表達(dá)出來(lái)的東西有時(shí)則存在很大差別，追究原因，許多是與具體的構(gòu)造處理有關(guān)，因此造成墻的截面和配筋差別大不合理。

2剪力墻的邊緣構(gòu)造

2.1結(jié)構(gòu)試驗(yàn)表明矩形截面剪力墻的延性比工字形或槽形截面剪力墻差；計(jì)算分析表明增加墻肢截面兩端的翼緣能顯著提高墻的延性；因此在矩形墻兩端設(shè)約束邊緣構(gòu)件不但能較顯著地提高墻體的延性，還能防止剪力墻發(fā)生水平剪切滑動(dòng)提高抗剪能力。從89規(guī)范開(kāi)始在剪力墻中提出了暗柱、端柱、翼墻(柱)、轉(zhuǎn)角墻(柱)，也就是目前規(guī)范中的約束邊緣構(gòu)件或構(gòu)造邊緣構(gòu)件的抗震措施。

2.2對(duì)規(guī)范的不同理解往往產(chǎn)生了五花八門的設(shè)計(jì)。有人將每一軸線的墻理解為一片墻僅在端墻設(shè)暗柱，有人將凡是拐角或洞口邊都設(shè)暗柱，而即使是公開(kāi)發(fā)表出版的權(quán)威參考書或設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)暗柱(翼墻柱)的截面取值也出現(xiàn)了以下三種不同尺寸，因此造成配筋的差別很大，甚至相同的資料由于出版的時(shí)間不同，對(duì)規(guī)范的理解也有所不同。

2.3從2002年開(kāi)始實(shí)施的建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范，根據(jù)結(jié)構(gòu)類型及受力狀況，對(duì)剪力墻兩端及洞口兩側(cè)的加強(qiáng)邊緣，按墻肢在重力荷載代表值作用下墻肢軸壓比的界線及加強(qiáng)部位要求分為約束邊緣構(gòu)件和構(gòu)造邊緣構(gòu)件兩類。

“抗規(guī)”GB50011-2001規(guī)定抗震墻結(jié)構(gòu)、部分框支抗震墻中落地剪力墻當(dāng)一、二級(jí)抗震時(shí)底部加強(qiáng)部位及相鄰的上一層均應(yīng)按要求設(shè)置約束邊緣構(gòu)件；但對(duì)于一般抗震墻結(jié)構(gòu)(除部分框支墻外)當(dāng)滿足墻肢軸壓比限值界線值時(shí)可按規(guī)定設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件?！翱挂?guī)”未明確框架一剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻需設(shè)置約束邊緣構(gòu)件時(shí)抗震墻的抗震等級(jí)和軸壓比界限值；但根據(jù)混凝土規(guī)范11.7.14條筆者理解框架－剪力墻不受一、二抗震等級(jí)限制，凡底部加強(qiáng)區(qū)及其上一層當(dāng)不滿足軸壓比限界時(shí)則均應(yīng)設(shè)約束邊緣構(gòu)件。綜合分析“抗規(guī)”、“砼規(guī)”和“高規(guī)”設(shè)計(jì)約束邊緣構(gòu)件時(shí)，框剪結(jié)構(gòu)、框支結(jié)構(gòu)、框筒結(jié)構(gòu)的要求應(yīng)嚴(yán)于一般剪力墻結(jié)構(gòu)，因此規(guī)范要求的條件也就多了一些，設(shè)計(jì)中應(yīng)引起注意。由于各規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的編寫出版、發(fā)布、實(shí)施的時(shí)間不同，加上編寫人認(rèn)識(shí)上的差別，各規(guī)范在一些條文內(nèi)容上還存在不協(xié)調(diào)和不一致的地方。在此必須指出設(shè)計(jì)中不但要復(fù)核短墻肢軸壓比，也要復(fù)核長(zhǎng)墻肢的軸壓比：抗震墻結(jié)構(gòu)中，當(dāng)層數(shù)在15層以內(nèi)時(shí)其墻肢軸壓比一般都小于0.2，所以一般除9度地震區(qū)外，都可以不設(shè)約束邊緣構(gòu)件(高層底部加強(qiáng)區(qū)除外)，只需設(shè)計(jì)構(gòu)造邊緣構(gòu)件，不少設(shè)計(jì)都忽視了這點(diǎn)，造成浪費(fèi)。

2.4規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)之間矛盾問(wèn)題舉例。

2.4.1GB50011－2001第6.4.7條規(guī)定暗柱截面長(zhǎng)度僅需滿足bw及≥400mm，不要求滿足le/2，在翼墻(柱)中只要求滿足壁柱≥300mm，不受墻厚bw的限制，而與“砼規(guī)”的要求矛盾。筆者認(rèn)為“抗規(guī)”GN50011的規(guī)定比較合理；實(shí)際工程中按現(xiàn)行規(guī)范要求需要設(shè)暗柱之處絕大部位為對(duì)門窗洞口邊緣的加強(qiáng)，其墻肢屬于聯(lián)肢墻，非一字型矩形墻體，聯(lián)肢墻連梁起耗散地震能量作用，受力狀況和延性較好，在整體受力時(shí)當(dāng)洞口較小時(shí)，往往墻體顯槽形截面，因此在剪力墻結(jié)構(gòu)中除設(shè)置角窗處外，暗柱截面尺寸不必過(guò)大；而翼墻(柱)處實(shí)際上只是建筑橫墻肢的端邊緣，不屬縱墻肢的端邊緣，在縱向水平力作用下，縱向墻法向應(yīng)力呈線性分布，縱墻肢受力似同偏壓柱；橫縱交點(diǎn)處剛度，約束性能好，因此對(duì)于翼墻(柱)的截面取值也沒(méi)必要過(guò)大；截面過(guò)大的暗柱和翼柱往往還容易形成連在一起，造成縱墻豎向配筋增加過(guò)多。但轉(zhuǎn)角墻(柱)則是剪力墻很重要的部位，必須嚴(yán)格遵守規(guī)范的規(guī)定。

2.4.2構(gòu)造邊緣構(gòu)件雖然“抗規(guī)”、“砼規(guī)”和“高規(guī)”都規(guī)定了配筋要求，但比較三本標(biāo)準(zhǔn)所給出的配筋要求的表格中的內(nèi)容則是矛盾的，是不協(xié)調(diào)的；筆者

認(rèn)為“砼規(guī)”GB50010－2002表11.7.16的要求比較合理。而“抗規(guī)”和“高規(guī)”表中的配筋要求是不夠合理或是不夠嚴(yán)密的。還應(yīng)指出三本規(guī)范中所給出的縱向構(gòu)造筋的數(shù)量4根或6根是不實(shí)際的；例如對(duì)于轉(zhuǎn)角墻(柱)的縱向筋數(shù)量，由于墻縱向筋的間距不宜大于300，又受墻厚限制，角柱的最小的縱向筋應(yīng)為8根，當(dāng)墻厚3300時(shí)則最少需要12根，不會(huì)出現(xiàn)4根或6根的情況。

3剪力墻結(jié)構(gòu)的厚度和配筋問(wèn)題

3.1根據(jù)抗震規(guī)范6.1.2條規(guī)定，8度地震區(qū)剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)至少應(yīng)為二級(jí)；按6.4.1條要求剪力墻底部加強(qiáng)部位墻厚一、二級(jí)抗震等級(jí)時(shí)不宜小于200mm，且不小于層高的1/16，其他部位不小于160mm，當(dāng)墻端頭無(wú)翼墻或暗柱時(shí)不應(yīng)小于層高的1/12。以上規(guī)定目的是為防止因墻體平面外剛度過(guò)小，穩(wěn)定性差，容易在偏心荷載作用下壓屈失穩(wěn)，但這些規(guī)定對(duì)于八度地震區(qū)的多層及低高層剪力墻結(jié)構(gòu)顯得不夠合理。例如5～15層的剪力墻結(jié)構(gòu)，一般墻肢在重力荷載代表值作用下軸壓比都小于0.2，電算結(jié)果墻體往往只需要構(gòu)造配筋，但只因底部功能要求3.9m層高，墻厚就得240mm，若業(yè)主要求室內(nèi)視野開(kāi)闊，不設(shè)外縱墻，橫墻朝外端頭不允許帶翼墻或端柱時(shí)，當(dāng)層高3>5～4.2m時(shí)，則墻厚需要320～350mm，顯然不合理。所以像這樣的特殊情況的低多層建筑不應(yīng)要求死扣規(guī)范，而通過(guò)采用概念設(shè)計(jì)分析，控制墻肢軸壓比，進(jìn)行墻體截面條件、強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算并在構(gòu)造上適當(dāng)加強(qiáng)暗柱或配筋，保證其整體性連接等措施，是可以使墻厚減小的。

3.2墻體的配筋率，目前在“砼規(guī)”11.7.11條文強(qiáng)制規(guī)定在一、二、三級(jí)抗震等級(jí)的剪力墻中，豎向和水平分布筋的最小配筋率均不應(yīng)小于0.25％；部分框支剪力墻底部加強(qiáng)部位的配筋率不應(yīng)小于0.3％；這配筋率比其在80年代前的配筋率).07-0.1％要大多了，和國(guó)外的配筋率0.1～0.25％的高者基本接軌，這在高層或者較長(zhǎng)的剪力墻結(jié)構(gòu)中應(yīng)該是合理的，但對(duì)于低矮、短小的剪力墻值得探討。

墻的水平分布筋是為橫向抗剪以防止墻體在斜裂縫出現(xiàn)后發(fā)生脆性剪切破壞，同時(shí)起到抵抗溫度應(yīng)力防止砼出現(xiàn)裂縫，設(shè)計(jì)中當(dāng)建筑物較高較長(zhǎng)或框剪結(jié)構(gòu)時(shí)配筋宜適當(dāng)增加，特別在連梁部位或溫度、剛度變化等敏感部位宜適當(dāng)增加。但對(duì)于矮、短的房屋，其水平筋的配筋率是否適當(dāng)減小值得探討。

墻的豎向鋼筋主要起抗彎作用，目前在一些多層低高層剪力墻中電算結(jié)果多為構(gòu)造配筋；但配筋時(shí)所取的配筋率有人往往扣除了約束邊緣構(gòu)件或構(gòu)造邊緣構(gòu)件中的鋼筋，筆者認(rèn)為豎向最小配筋率應(yīng)該包括邊緣構(gòu)件中的鋼筋，墻肢的豎向配筋原則也應(yīng)該盡量將鋼筋布置在墻端部邊緣區(qū)并保證鋼筋間距≤300mm，也應(yīng)該注意防止豎筋過(guò)多使墻的抗彎強(qiáng)度大于抗剪強(qiáng)度，對(duì)抗震不利。

4剪力墻結(jié)構(gòu)的超長(zhǎng)問(wèn)題

4.1混凝土規(guī)范9.1.1條規(guī)定現(xiàn)澆混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的溫度伸縮縫最大間距當(dāng)在室內(nèi)或土中時(shí)為45m，露天時(shí)為30m；而現(xiàn)澆框架剪力墻或框架核心筒結(jié)構(gòu)的伸縮縫間距可取45～55m，規(guī)范的這一規(guī)定顯然與現(xiàn)今建筑的體量越來(lái)越大但功能又要求不設(shè)縫發(fā)生矛盾；因此目前許多工程中的伸縮縫間距都突破了規(guī)范的規(guī)定，也造成了設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中遇到超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)的膽量越來(lái)越大。筆者認(rèn)為今后當(dāng)剪力墻結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)該慎重處理為好，過(guò)長(zhǎng)時(shí)應(yīng)該盡量設(shè)置溫度伸縮縫，宜較嚴(yán)格遵守規(guī)范規(guī)定的限值，理由如下：

(1)剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大，受溫差影響大，混凝土的收縮、徐變產(chǎn)生的變形大，墻體對(duì)樓面、屋面產(chǎn)生的約束也大；當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生收縮變形時(shí)比其他結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)裂縫。一些未超長(zhǎng)的剪力墻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生墻體或樓面裂縫，其主要原因就在此。

(2)剪力墻結(jié)構(gòu)多用于商品住房和公寓，使用狀況復(fù)雜，一旦私人購(gòu)買的房子出現(xiàn)裂縫，雖然沒(méi)有安全問(wèn)題，但處理起來(lái)問(wèn)題多，難度大，社會(huì)影響大。

(3)混凝土結(jié)構(gòu)受溫度或收縮徐變的影響與眾多因素有關(guān)；而體型龐大的剪力墻房屋往往形狀復(fù)雜，混凝土收縮大，約束應(yīng)力積聚也大，施工工藝及管理也難控制，環(huán)境影響使用變化難于判斷，因此更難于解決混凝土收縮變形時(shí)，在受約束條件下引起拉應(yīng)力而保證不出現(xiàn)裂縫。

(4)目前混凝土的收縮量不斷增大，已由80年代的一般收縮量300μ8上升到400μe以上，因此使混凝土用量大的剪力墻產(chǎn)生裂縫的因素在增大。

(5)目前隨著市場(chǎng)形勢(shì)的變化，大部分工程要趕工加班，質(zhì)量難保證，為趕工混凝土中水泥用量普遍增大，使混凝土收縮量增大，加上由于混凝土強(qiáng)度的提高，使彈性模量增加將引起更大的約束拉應(yīng)力產(chǎn)生，使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的因素增多。

(6)普遍使用商品混凝土泵送施工，為了泵送，增大水泥用量，減少了中粗骨料含量和骨料粒徑，加上泵送混凝土配合比和施工送料時(shí)的不良因素影響等都加大了結(jié)構(gòu)收縮量，增加產(chǎn)生裂縫的因素。

綜上所述，今后在處理超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)，特別是處理超長(zhǎng)的剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)要特別慎重；當(dāng)發(fā)生實(shí)在由于建筑使用功能要求不允許超長(zhǎng)建筑設(shè)永久縫時(shí)，建議采用對(duì)結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力的方法并結(jié)合采用設(shè)計(jì)構(gòu)造措施、施工措施共同給予處理。