剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

蔡斌凱

【摘 要】在高層建筑的結(jié)構(gòu)布置中，剪力墻的平面布置及墻厚的選取直接關(guān)系到整棟建筑的安全性和經(jīng)濟(jì)性，是做好高層結(jié)構(gòu)設(shè)計最重要的一個環(huán)節(jié)。在此，筆者通過高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的工程實踐，在此，對本文剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了闡述。

【關(guān)鍵詞】建筑；剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計；約束邊緣構(gòu)件

0.引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，人們對高層建筑的功能要求趨向于多樣化、 綜合化和全面化。據(jù)某市房管部門統(tǒng)計，某市區(qū)內(nèi)住宅建筑一般超過20層，高度一般可達(dá)到70～90m。如此高度建筑，由于抗震設(shè)計的需要，必須使得建筑物具有足夠的側(cè)向剛度。另外相對于框架及框剪結(jié)構(gòu)來說，剪力墻結(jié)構(gòu)室內(nèi)無柱及梁的棱角露出，更美觀，功能也會更好，且增大了使用面積，由此受到了開發(fā)商和業(yè)主的歡迎，因而大量應(yīng)用于實際工程之中。本工程由9棟18～23層建筑組成。其中l(wèi)號樓為23層，總高度72m。

1.剪力墻結(jié)構(gòu)的平面布置及概念設(shè)計

新規(guī)范《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011—2001（以下簡稱抗震規(guī)范）及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3—2002（以下簡稱高規(guī)）頒布實施，汶川地震之后，又出臺了《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB500l1—200（2008版）。新規(guī)范對剪力墻結(jié)構(gòu)的規(guī)定更為嚴(yán)格和詳細(xì)。

新規(guī)范將剪力墻邊緣構(gòu)件分為約束邊緣構(gòu)件和構(gòu)造邊緣構(gòu)件，并對短肢剪力墻做了更嚴(yán)格的限制。所謂短肢剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比為5～8的剪力墻，一般剪力墻則是指墻肢截面高度與厚度之比大于8的剪力墻從平面圖可以看出，本工程基本部采用的是一般剪力墻只有在極個別地方才出現(xiàn)少數(shù)短肢剪力墻，從而初步保證了建筑物的抗震性能。

抗震規(guī)范中規(guī)定，鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑，彈性層間位移角限值為1/1000。要滿足這點要求，就必須保證建筑物有一定的側(cè)向剛度，這就要求抗震墻的面積有一定的保證。在本設(shè)計中，為了做到安全和經(jīng)濟(jì)，筆者將其樓層層間最大位移與層高之比控制在1/1100～1/1200之問。在平面布置剪力墻時，將底部剪力墻截面總面積與樓面面積之比控制在6～8%，剪力墻的體積與總建筑面積之比大約在16～20%。主要布置原則，建筑物四角及核心筒加強布置，其余剪力墻結(jié)合建筑使用功能布置。剪力墻平面上分布力求均勻，使其剛度中心和建筑物質(zhì)心盡量接近以減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，并通過改變墻肢長度和連梁高度調(diào)整剛心位置。結(jié)合建筑平面，采用L，T，Z，十字形等截面形式，且翼緣長度大于其厚度的3倍。避免采用一字型剪力墻抗震性能較差。墻肢之間的梁凈跨不大于6.0m，這樣梁高也控制在500以內(nèi)，不影響室內(nèi)凈高。在底部加強區(qū)為滿足“簡體和一般剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩不宜小于結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩的50%”的要求，大部分墻肢截面高厚比大于8，使之成為一般剪力墻，非加強區(qū)則可視情況將墻肢長度適當(dāng)減小或在墻肢上開小洞口。

特別應(yīng)注意的是，設(shè)轉(zhuǎn)角窗（陽臺）會降低結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和抗扭剛度，且外墻內(nèi)力顯著增大，開洞的角部各構(gòu)件扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，因此應(yīng)盡量避免。

2.剪力墻墻肢截面厚度

高規(guī)第7.2.2條第1—3款規(guī)定了剪力墻的最小厚度，其主要目的是保證剪力墻出平面的剛度和穩(wěn)定性能。

對短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，高規(guī)規(guī)定其抗震等級應(yīng)比表4.8.2規(guī)定的抗震等級提高一級采用，本工程位于Ⅶ度區(qū)，故普通剪力墻的抗震等級為三級，短肢剪力墻的抗震等級為二級。因底層層高較高，為5.1m，再考慮基礎(chǔ)承臺埋深，故底層普通剪力墻厚取為300mm。二，三層仍為底部加強區(qū)，綜合控制軸壓比考慮，墻厚取為250mm。四，六層大部分墻厚取200mm，個別短肢剪力墻及軸壓比較大的墻厚仍取250mm。七層樓面以上墻厚統(tǒng)一為200mm。均能滿足規(guī)范要求。在布置剪力墻時，結(jié)合建筑平面，盡量不用一字形剪力墻，而采用L，T，Z，十字形等截面形式，且翼緣長度大于其厚度的3倍，這樣，一方面墻體抗震性能更好，另一方面墻厚也可取為剪力墻無肢長度的1/20。對底層少數(shù)短肢剪力墻，底部加強區(qū)墻厚300mm仍小于1/16墻高度，則按高規(guī)附錄D驗算墻體穩(wěn)定：墻頂?shù)刃жQ向均布荷載設(shè)計值q應(yīng)滿足：q≤Ect3/10102

3.約束邊緣構(gòu)件的設(shè)計

抗震規(guī)范及高規(guī)中規(guī)定，一、二級抗震設(shè)計的剪力墻底部加強部位及其上一層的墻肢端部應(yīng)設(shè)計約束邊緣構(gòu)件，在陰影部分箍筋的體積配箍率Pv按下式計算：P=λ=0.2

本工程普通剪力墻為三級抗震，只須設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件。部分短肢剪力墻為二級，在底層加強區(qū)必須設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。對于剪力墻約束邊緣構(gòu)件范圍內(nèi)非陰影部分的配箍，筆者認(rèn)為不能簡單將箍筋或拉筋間距取為陰影部分間距的2倍，即200mm和300mm。一、二級剪力墻底部加強部位構(gòu)造邊緣構(gòu)件箍筋沿豎向最大間距為100mm和150mm。作為軸壓比更大的剪力墻約束邊緣構(gòu)件，其箍筋或拉筋的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)不宜低于相同抗震等級構(gòu)造邊緣構(gòu)件的要求。另外，當(dāng)剪力墻水平分布筋間距不符合約束邊緣構(gòu)件非陰影部分箍筋或拉筋最大間距時，例如，水平筋間距為200mm，而箍筋或拉筋間距為15mm，若非陰影部分只配置拉筋，則有部分拉筋將無法拉住水平筋，此時，拉筋無法對混凝土形成有效約束，不利于改善混凝土受壓性能和增大延性，這種情況應(yīng)考慮同時配置箍筋和拉筋。還需指出的是，為了充分發(fā)揮約束邊緣構(gòu)件的作用，箍筋的長邊不宜大于短邊的3倍且相鄰2個箍筋應(yīng)至少相互搭接1/3長邊的距離。

4.剪力墻水平分布筋在邊緣構(gòu)件中的錨固

邊緣構(gòu)件（包括端柱）并不是剪力墻墻身的支座，其本身是剪力墻的一部分，它與剪力墻墻身之問的連接不是不同構(gòu)件之間的連接，不能套用比如梁與柱連接的做法剪力墻水平分布筋是用以抵抗水平地震作用產(chǎn)生的剪力是按整片墻肢進(jìn)行配置的，并未扣除邊緣構(gòu)件的長度；而剪力墻邊緣構(gòu)件中箍筋的作用是約束混凝土，改善混凝土的受壓性能，使剪力墻在地震作用下具有較好的延性和耗能能力，規(guī)范中并未明確考慮其抵抗水平剪力。兩者所起的作用不同，不宜混用。故在設(shè)計說明中，筆者明確必須將水平分布筋伸至墻肢端部，并垂直彎折15d（對端柱當(dāng)錨人長度不小于1a或1ae時可不彎折）。這在標(biāo)準(zhǔn)圖集（03G101—1）中表達(dá)得很清楚。

5.連梁的配筋

高層結(jié)構(gòu)中，連梁是一個耗能構(gòu)件，連梁的剪切破壞會使結(jié)構(gòu)的延性降低，對抗震不利，設(shè)計時應(yīng)注意對連梁進(jìn)行“強剪弱彎”的驗算，保證連粱的彎曲破壞先于剪切破壞。因此，不能人為加大連梁的縱筋，否則，可能無法滿足“強剪弱彎”的要求。高規(guī)中推導(dǎo)出了連梁的縱筋最大配筋率和對應(yīng)的箍筋面積配箍率，筆者認(rèn)為，其推導(dǎo)過程有值得商榷的地方，例如Muk的表達(dá)式中fyk應(yīng)為fy，修正后得抗震設(shè)計時的Ps和Psv如下：

6.計算結(jié)果

剪力墻布置完畢之后，經(jīng)中科院結(jié)構(gòu)軟件PKPM計算，建筑物的彈性層問位移角為1/1105，各剪力墻軸壓比在0.3—0.6之間，第一扭轉(zhuǎn)周期與第一周期之比小于0.9最大層間位移與平均層間位移的比值均小于1.3，符合規(guī)范各項要求。從而在安全性和經(jīng)濟(jì)性兩方面都達(dá)到要求。