淺談剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳志江

（吉安市建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃研究院，江西 吉安 343000）

近年來，隨著人們對(duì)住宅，特別是高層住宅平面與空間的要求越來越高，普通框架結(jié)構(gòu)和框架——剪力墻的露柱構(gòu)件對(duì)建筑空問的嚴(yán)格限定與分隔已不能滿足人們對(duì)住宅空間使用和立面美觀的要求。純剪力墻結(jié)構(gòu)既可以保證結(jié)構(gòu)安全可靠性，又可以使室內(nèi)空間合理墻面平整，所以高層建筑結(jié)構(gòu)中便越來越多地采用剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻的受力、變形特征，類似于框剪結(jié)構(gòu)，但比框剪結(jié)構(gòu)的剛度分配、內(nèi)力分配更合理，結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)導(dǎo)致的豎向位移差別，也比框剪結(jié)構(gòu)小，傳基礎(chǔ)荷載更均勻、合理。這樣的結(jié)構(gòu)形式能使建筑取得較好的經(jīng)濟(jì)效果和建筑功能效果。

1 剪力墻結(jié)構(gòu)的基本含義

剪力墻結(jié)構(gòu)的定義：①剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比為5～8的剪力墻；②高層建筑結(jié)構(gòu)不應(yīng)采用全部剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)；③剪力墻較多時(shí)，應(yīng)布置筒體（或一般剪力墻），形成剪力墻與筒體（或一般剪力墻）共同抵抗水平力的剪力墻結(jié)構(gòu)。

剪力墻結(jié)構(gòu)的必要條件：抗震設(shè)計(jì)時(shí)，墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩不大于結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩的50%。

剪力墻結(jié)構(gòu)的下限：當(dāng)墻較少時(shí)，如墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩小于結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩的15%～40%，則可以按普通剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。下限規(guī)范沒有規(guī)定，用戶可以靈活掌握。如果在剪力墻結(jié)構(gòu)中，只有個(gè)別小墻肢，不應(yīng)看成剪力墻結(jié)構(gòu)而應(yīng)作為一般剪力墻結(jié)構(gòu)處理。

2 高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算原則

2.1 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加%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)。

2.2 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。《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5～6 之間時(shí)，若連梁剛度不折減則也容易出現(xiàn)剪力或彎矩超限。

2.3 樓層層間最大位移與層高之比 (位移)的調(diào)整原則。指規(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，可不扣除結(jié)構(gòu)整體彎曲變形，應(yīng)計(jì)入扭轉(zhuǎn)變形。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，同樣不能滿足層問位移的要求。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 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 剪力墻合理定位

剪力墻最好沿主軸方向或其他方向進(jìn)行雙向布置；對(duì)于抗震設(shè)計(jì)的剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)特別避免僅單向有墻的結(jié)構(gòu)布置形式。1)對(duì)一般的矩形、L 形、T 形等平面則沿著兩條軸線的方向進(jìn)行布置。2)對(duì)于部分j 角形平面、Y形平面則可以沿其三個(gè)軸線方向布置。3)對(duì)正多邊形，圓形及弧形平面可沿徑向及環(huán)向布置?？傊袅Φ钠矫娌贾脩?yīng)本著盡可能均勻、對(duì)稱的原則，盡量使墻面結(jié)構(gòu)的剛度中心和質(zhì)量中心完全重合，從而減少扭矩。而內(nèi)外剪力墻應(yīng)盡量拉通、對(duì)直。剪力墻肢截面宜簡(jiǎn)單、規(guī)則。剪力墻的抗側(cè)力剛度不宜過大。為充分發(fā)揮剪力墻的抗側(cè)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(jié)構(gòu)具有適宜的側(cè)向剛度。判斷結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度與剪力墻數(shù)量的適應(yīng)程度，可以選用經(jīng)驗(yàn)公式 T=(0.05-0.06)n，其中 n 為結(jié)構(gòu)層數(shù)。公式計(jì)算出來的T1 值與搭模計(jì)算的周期T2 相比較。TI>T2 則表示剪力墻偏多，可適當(dāng)減少剪力墻數(shù)或開些適合的大洞來減小墻的剛度，反之則需要增加剪力墻數(shù)量。

3.2 剪力墻厚度確定

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中對(duì)剪力墻的截面尺寸具體規(guī)定“按一、二級(jí)抗震等級(jí)設(shè)計(jì)的剪力墻的截面厚度,底部加強(qiáng)部位不應(yīng)小于層高或剪力墻無支長(zhǎng)度的1／16，且不應(yīng)小于200mm，按三、四級(jí)抗震等級(jí)設(shè)計(jì)的剪力墻的截面厚度，底部加強(qiáng)部位不應(yīng)小于層高或剪力墻無支長(zhǎng)度的1/20，且不應(yīng)小于160mm，其他部位不應(yīng)小于層高或剪力墻的1／25，且不應(yīng)小于 180mm?！?/p>

3.3 剪力墻中大墻肢處理

剪力墻的結(jié)構(gòu)必須具備延展性，對(duì)于呈細(xì)高狀的剪力墻(高寬比大于2)很容易被設(shè)計(jì)成彎曲破壞的延性剪力墻，這樣一來可以避免受到脆性的剪切破壞。在墻長(zhǎng)度較長(zhǎng)的情況下，為滿足每墻段的高寬比均大于2，可以通過開洞的方式分割長(zhǎng)墻為小而均勻的獨(dú)立墻段。除此以外，在墻段長(zhǎng)度較小時(shí)其受彎產(chǎn)生的裂縫寬度較小，可以充分發(fā)揮墻體配筋的支撐作用。而對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)中，存在較少的長(zhǎng)度大于8m的大墻肢，在理論計(jì)算中樓層的剪力大部分由這些大墻肢來承受。

在發(fā)生地震特別是超烈度等強(qiáng)烈震動(dòng)時(shí)，最容易受到破壞的便是這些大墻肢。小墻肢因沒有足夠的配筋，使整個(gè)墻面結(jié)構(gòu)會(huì)受到全面破壞結(jié)構(gòu)。為避免這種不利現(xiàn)象的發(fā)生，對(duì)于超過8m的墻肢長(zhǎng)度，可以采取以下兩種處理方法：①開施工洞：殲施工洞即在施工時(shí)墻上留洞，完工時(shí)砌填填充墻，把長(zhǎng)墻肢分成短墻肢。②開計(jì)算洞：是指在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)設(shè)有洞，開始施工時(shí)仍為混凝土墻。但通過這樣的計(jì)算方式，可以加強(qiáng)其它小墻肢的配筋能力。這種方式主要適用于地下室外墻等不易實(shí)施開洞的項(xiàng)目。

3.4 剪力墻墻身鋼筋的分布及構(gòu)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、三級(jí)抗震下設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)低于0.25%，而對(duì)于四級(jí)抗震設(shè)汁和非抗震設(shè)計(jì)時(shí)則不應(yīng)低于0.20070。按照這一原則，筆者設(shè)計(jì)的位于9 度區(qū)的一級(jí)抗震剪力墻，墻身分布鋼筋配筋率必須大于0.25%。同時(shí)應(yīng)注意這個(gè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中也有具體條款規(guī)定。

3.5 剪力墻連梁超筋的處理

剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中連梁超筋是一種常見現(xiàn)象。連梁的超筋，實(shí)質(zhì)是剪力不滿足剪壓比要求。連梁易超筋的部位，一般剪力墻結(jié)構(gòu)中，在總高度的1／3 左右的樓層；平面中當(dāng)墻段較長(zhǎng)時(shí)，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(shí)，在墻肢處連梁易超筋。剪力墻連梁對(duì)剪切變形十分敏感，當(dāng)剪力墻連梁不滿足連梁的尺寸要求時(shí)，《高規(guī)》7.2.25 條給出了如下處理方法：

3.5.1 減小連梁的截面高度。

3.5.2 抗震設(shè)計(jì)的剪力墻中連梁彎矩及剪力可進(jìn)行塑性調(diào)幅。

3.5.3 當(dāng)連梁破壞對(duì)承受豎向荷載無明顯影響時(shí)，可考慮在大震作用下該連梁不參與工作，按獨(dú)立墻肢進(jìn)行第二次多遇地震作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，墻肢應(yīng)按兩次計(jì)算所得的較大內(nèi)力進(jìn)行配筋計(jì)算。當(dāng)?shù)趌、2 種措施不能解決問題時(shí)，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(jìn)行整體計(jì)算，但應(yīng)注意結(jié)構(gòu)層間位移比尚需滿足規(guī)范要求。

[1] 呂文，錢稼茹.基于位移延性剪力墻抗震設(shè)計(jì)[M].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1999.3.

[2] 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程.中國建筑工業(yè)出版社.

[3] 袁端眼，虞煥新.工程結(jié)構(gòu)[M].同濟(jì)大學(xué)出版社.