連體高層剪力墻受力特點和設計原則分析

崔濤

【摘要】連體高層建筑的結構設計變得日趨復雜，框架、剪力墻、框一剪、筒體等已變成當前建筑設計中的主要結構形式，筆者就高層建筑剪力墻受力特點和結構設計問題作出如下探討。

【關鍵詞】連體高層建筑；剪力墻； 結構設計お

隨著人們對住宅，特別是連體高層住宅平面與空間的要求越來越高，普通框架結構和框架——剪力墻的露柱構件對建筑空問的嚴格限定與分隔已不能滿足人們對住宅空間使用和立面美觀的要求。純剪力墻結構既可以保證結構安全可靠性，又可以使室內空間合理墻面平整，所以連體高層建筑結構中便越來越多地采用剪力墻結構，剪力墻的受力、變形特征，類似于框剪結構，但比框剪結構的剛度分配、內力分配更合理，結構的變形協(xié)調導致的豎向位移差別，也比框剪結構小，傳基礎荷載更均勻、合理。這樣的結構形式能使建筑取得較好的經(jīng)濟效果和建筑功能效果。

1. 高層建筑結構設計特點

隨著城市人口的增長，大規(guī)模的城市高層建筑越來越多。高層建筑在結構設計上有著以下共同特征：

（1）水平荷載成為決定因素。

（2）軸向變形不容忽視。

（3）側移成為控制指標。

（4）結構延性是重要設計指標。伴隨著這些設計特點逐步發(fā)展形成了能適應人們新的住宅觀念的高層住宅結構形式，即“短肢剪力墻結構”形式。短肢剪力墻結構是指墻肢的長度為厚度的5～8倍的剪力墻結構，常用的有“T”形、“L”形、“十”形 、“Z”形、 折線形、“一”字形。

2. 高層建筑冀力墻結構設計計算原則

剪力墻結構設計時，應根據(jù)規(guī)范要求綜合考察結構是否合理，就結構設計中的幾個重要技術指標調整原則簡述如下。

2.1樓層最小剪力系數(shù)（剪重比）的調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構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，使結構具有適宜的側向剛度，使樓層最小剪力系數(shù)接近規(guī)范限值（不小于限值），能夠減輕結構自重，有效減小地震作用的輸入，同時降低工程造價。

2.2剪力墻連梁超限的調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?！陡咭?guī)》規(guī)定跨高比不小于5的連梁宜按框架梁進行設計，即跨高比不小于5的連梁剛度不應折減。而跨高比在5～6之間時，若連梁剛度不折減則也容易出現(xiàn)剪力或彎矩超限。該條文若能在實際工程設計中充分利用，則對節(jié)省工程造價有非常明顯的影響，即將跨高比不大于5的連梁（剛度需折減）和減小剪力墻墻肢長度使連梁跨高比變?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，能節(jié)省工程投資。

2.3樓層層間最大位移與層高之比（位移）的調整原則規(guī)范規(guī)定多遇地震作用標準值產生的樓層最大的彈性層間位移在計算時，除以彎曲變形為主的高層建筑外，可不扣除結構整體彎曲變形，應計入扭轉變形。對于一般的高層建筑，重點是樓層間的剪切變形及扭轉變形。剪切變形的控制是以豎向構件的多少來決定的，但豎向構件足夠多（剪重比偏大）而布置不合理，則會造成扭轉變形過大，同樣不能滿足層問位移的要求。因此，對于高層建筑應盡可能使扭轉變形最小，而不能僅根據(jù)層問位移不夠不加分析地增加豎向構件的剛度。

3. 剪力墻結構設計建議

3.1剪力墻合理定位剪力墻結構中，剪力墻宜沿主軸方向或其他方向雙向布置；抗震設計的剪力墻結構，應避免僅單向有墻的結構布置形式。對一般的矩形、L形、T形等平面宜沿兩個軸線方向布置；對三角形、Y形平面宜沿三個軸線方向布置，對正多邊形，圓形及弧形平面可沿徑向及環(huán)向布置。剪力墻的平面布置應盡可能均勻、對稱，盡量使結構的剛度中心和質量中心重合，以減少扭矩。內外剪力墻應盡量拉通、對直。

剪力墻墻肢截面宜簡單、規(guī)則。剪力墻的抗側力剛度不宜過大。為充分發(fā)揮剪力墻的抗側力剛度和承載能力，增大剪力墻可利用空間，剪力墻的間距不宜太密，使結構具有適宜的側向剛度。如何判斷結構的側向剛度是否適宜，剪力墻數(shù)量是否合適呢？規(guī)則結構周期的經(jīng)驗公式：T1=（0.05～0.06n，n為結構層數(shù)。

3.2剪力墻厚度確定《高規(guī)》中對剪力墻的截面尺寸有著詳細的規(guī)定，對于設計8度區(qū)的三級抗震剪力墻的規(guī)定：按二級抗震等級設計的剪力墻的截面厚度，底部加強部位不應小于層高或剪力墻無支長度的1/16，且不應小于200mm，其他部位不應小于層高或剪力墻的1/20，且不應小于160mm。如某設計中的11層小高層住宅，層高3m，剪力墻無支長度>3m，1/16為188mm，1/20為150mm。因此就是說剪力墻最小厚度為200mm，于是可確定墻體均為200mm的原則。

3.3剪力墻墻身鋼筋的分布及構造要求《高規(guī)》中規(guī)定一般剪力墻豎向和水平分布筋的配筋率，在一、二、三綴抗震下設計時不應低于0.25%，而對于四級抗震設計和非抗震設計時則不應低于20%。按照這一原則，位于9度區(qū)的一級抗震剪力墻，墻身分布鋼筋配筋率必須大于0.25%。同時應注意這個配筋率是指：“水平配筋率+垂直配筋率”的總稱，具體在《混凝土結構設計規(guī)范》中也有具體條款規(guī)定。

3.4剪力墻中大墻肢的處理剪力墻結構應具有延性，細高的剪力墻（高寬比大于2）容易設計成彎曲破壞的延性剪力墻，從而可避免脆性的剪切破壞。當墻的長度很長時，為了滿足每個墻段高寬比大于2的要求，可通過開設洞口將長墻分成長度較小、較均勻的墻段。洞口連粱宜采用弱連梁（跨高比大于6），使其可近似認為分成了獨立墻段。此外，墻段長度小時，受彎產生的裂縫寬度較小，墻體的配筋能夠較充分地發(fā)揮作用。而對于剪力墻結構中，有少量長度大于8m的大墻肢，計算中樓層剪力主要由這些大墻肢承受。其他小的墻肢承受的剪力很小，一旦地震，尤其超烈度地震時，大墻肢容易首先遭受破壞，而小的墻肢又無足夠配筋，使整個結構形成各個擊破，這是極不利的。當墻肢長度超過8m時。有兩種處理方法：開施工洞或開計算洞。開施工洞，即在施工時墻上留洞，完工時砌填填充墻，把長墻肢分成短墻肢。開計算洞，即結構計算時設有洞，施工時仍為混凝土墻，這樣計算，可使其它小墻肢的配筋得到加強。適用于地下室外墻等，不能開施工洞的位置。

3.5剪力墻連梁超筋的處理剪力墻結構設計中連梁超筋是一種常見現(xiàn)象。連梁的超筋，實質是剪力不滿足剪壓比要求。連粱易超筋的部位，一般剪力墻結構中，在總高度的1/3左右的樓層；平面中當墻段較長時，多在其中部的連梁；某墻段中墻肢截面高度大小懸殊不均勻時，在墻肢處連粱易超筋。剪力墻連梁對剪切變形十分敏感，當剪力墻連梁不滿足連梁的尺寸要求時，《高規(guī)》處理方法：ィ1）減小連梁的截面高度。ィ2）抗震設計的剪力墻中連梁彎矩及剪力可進行塑性調幅。ィ3）當連梁破壞對承受豎向荷載無明顯影響時，可考慮在大震作用下該連梁不參與工作，按獨立墻肢進行第二次多遇地震作用下結構內力分析，墻肢應按兩次計算所得的較大內力進行配筋計算。

當?shù)?、2種措施不能解決問題時，可采用第3種措施來處理，即假定連梁在大震下破壞，不再約束墻肢。另外，可在易超筋的部位，連梁按鉸接處理進行整體計算，但應注意結構層間位移比尚需滿足規(guī)范要求。

4. 結語

高層剪力墻結構因其抗側剛度大，能有效地減少側移，且具有較好的抗震性能，因而被廣泛應用于多層和連體高層鋼筋混凝土建筑中。因此掌握剪力墻結構受力特點，運用剪力墻結構設計的基本原則，建筑設計就會更加安全、實用、可靠、經(jīng)濟。

參考文獻

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