高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

王曉莉

(太原市建筑設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030002)

近年來，隨著高層建筑的不斷矗立，其剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和安全性被人們所重視，理論上的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和圖紙?jiān)O(shè)計(jì)與實(shí)際建設(shè)過程中經(jīng)常發(fā)生一些沖突，造成問題的原因通常是施工中構(gòu)造處理不同，造成剪力墻的墻截面和配筋產(chǎn)生了較大的差別，所以針對高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的常見問題，本文對高層建筑剪力墻的邊緣構(gòu)造、高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)厚度與配筋問題及高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)超長問題三個(gè)方面進(jìn)行探討，希望能夠合理的解決高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些問題。

1 高層建筑剪力墻布置

1.1 高層建筑剪力墻布置原則

高層建筑剪力墻的布置是沿著主軸方向或者其他某一方向進(jìn)行雙向布置，在同一平面內(nèi)剪力墻的布置要保持均衡。高層建筑剪力墻的高與寬通常尺寸都比較大，厚度又較薄，在墻體受力方面受到水平剪力、彎矩、豎向壓力。高層建筑的剪力墻需要具有抗震、抗風(fēng)載的能力，所以其結(jié)構(gòu)需要滿足非彈性變形和避免脆性剪力斷裂，剪力墻的設(shè)計(jì)類型可以盡量采用延性彎曲型。

1.2 剪力墻結(jié)構(gòu)類別

剪力墻結(jié)構(gòu)類別有整體墻和聯(lián)肢墻。根據(jù)不同類型墻體的特點(diǎn)、受力特征、墻體內(nèi)力分布進(jìn)行配筋和構(gòu)造。整體墻包括山墻、魚骨式結(jié)構(gòu)片墻、小開洞墻;聯(lián)肢墻是由梁連接的剪力墻。

高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。

圖1 高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)體系

將建筑的墻體作為豎向承重和抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系的被叫做剪力墻結(jié)構(gòu)，在剪力墻上可以進(jìn)行開洞設(shè)計(jì)，當(dāng)洞口越大時(shí)，越接近剪力墻的框架。

剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)分別是:

1)剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn):剪力墻的承載能力較強(qiáng)，側(cè)向的剛度大、變形小，剪力墻墻面平整適用于單層高度較小的建筑，例如:住宅、賓館等。

2)剪力墻結(jié)構(gòu)缺點(diǎn):剪力墻結(jié)構(gòu)自身重量較大，高層建筑平面布置的局限性有限，難以獲得更大的建筑空間。

剪力墻可以分為框支剪力墻結(jié)構(gòu)與框架剪力墻結(jié)構(gòu)，框支剪力墻結(jié)構(gòu)是將剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑底層做成框架結(jié)構(gòu)，適用于做成轉(zhuǎn)換層高層建筑?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)可以將框架與剪力墻一同作為承載體，可接收來自豎向與水平方向的荷載，其中框架主要用來承擔(dān)來自豎向的荷載，剪力墻主要用來承載來自橫向的剪切力。

1.3 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算是對剪力墻的正截面承載力和剪力墻斜截面受剪力進(jìn)行驗(yàn)算。驗(yàn)算時(shí)需要對剪力墻的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，根據(jù)剪力墻水平受力與豎向受力求得剪力墻的內(nèi)力。剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算的原則是:

1)要與施工圖一致;2)剪力墻荷載取值準(zhǔn)確;3)地下室作為指定層數(shù);4)整體計(jì)算參數(shù)與內(nèi)力配筋調(diào)整參數(shù)應(yīng)與整體分析程序相對應(yīng);5)地下室人防、樓梯、地下室側(cè)壁、頂板、水池壁板、擋土墻、車道板、雨篷等抗扭構(gòu)件，異型板、立面小構(gòu)件等的補(bǔ)充計(jì)算，盡可能采用其他結(jié)構(gòu)軟件的計(jì)算工具計(jì)算，無相關(guān)工具的采用手算。

1.4 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范

高層建筑剪力墻的墻體厚度規(guī)定大于160 mm，底部加強(qiáng)厚度大于200 mm。采用豎向鋼筋進(jìn)行墻體邊緣配筋，確定剪力墻的穩(wěn)定性，橫向配筋提高剪力墻的抗震能力。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)的有關(guān)規(guī)定

1)現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的最大高度及抗震等級(jí)如表1所示。

a.墻肢截面高度與厚度之比為5～8的剪力墻稱為短肢剪力墻，括號(hào)內(nèi)數(shù)字用于短肢剪力墻較多的剪力墻結(jié)構(gòu);

表1 現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的最大高度及抗震等級(jí)

b.建筑場地為Ⅰ類時(shí)，除6度外可按表內(nèi)降低1度所對應(yīng)的抗震等級(jí)采取抗震構(gòu)造措施，但相應(yīng)的計(jì)算要求不應(yīng)降低;

c.接近或等于高度分界時(shí)，應(yīng)允許結(jié)合房屋不規(guī)則程度及場地，地基條件適當(dāng)確定抗震等級(jí);

d.錯(cuò)層結(jié)構(gòu)，錯(cuò)層處框架柱及錯(cuò)層處平面外受力的剪力墻的抗震等級(jí)應(yīng)提高一級(jí)采用。

2)剪力墻軸壓比限值。

一級(jí)～三級(jí)抗震等級(jí)剪力墻底部加強(qiáng)部位墻肢最大軸壓比限值:軸壓比，如表2所示。

表2 剪力墻底部加強(qiáng)部位墻肢最大軸壓比限值

其中，N為墻肢重力荷載代表值作用下的軸壓力設(shè)計(jì)值(不與地震作用結(jié)合);A為墻肢的全截面面積;fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;hw為墻肢截面的高度;bw為墻肢截面的寬度。

3)剪力墻豎向橫向分布鋼筋的最小配筋率見表3。

短肢剪力墻全部豎向鋼筋的最小配筋率見表4。

3 高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)厚度確定與配筋處理

1)建筑規(guī)范規(guī)定高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)的地震等級(jí)8度時(shí)，剪力墻抗震等級(jí)為2級(jí)以上，這就要求剪力墻墻底部分墻體厚度在200 mm以上，并且要求墻底加強(qiáng)部分厚度大于樓層高度的1/16。

剪力墻厚度確定:根據(jù)軸壓比限值估算剪力墻厚度，設(shè)軸壓比r，墻肢承載樓面荷載面積Aq，估算厚度為

其中，Q為單位面積層荷載重量標(biāo)準(zhǔn)值，Q=13.0+7(n－15)/20，n為樓層層數(shù)。

高層建筑剪力墻最小厚度取值如表5所示。

表3 剪力墻豎向橫向分布鋼筋的最小配筋率 %

表4 短肢剪力墻全部豎向鋼筋的最小配筋率 %

表5 高層建筑剪力墻最小厚度取值 mm

剪力墻墻肢穩(wěn)定要求滿足下面的方程式:

其中，q為墻頂組合的等效豎向均布荷載值;Ec為剪力墻混凝土彈性模量;t為剪力墻墻肢截面厚度;t0為剪力墻墻肢計(jì)算長度。

剪力墻構(gòu)造邊緣構(gòu)件配筋如表6所示。

表6 剪力墻構(gòu)造邊緣構(gòu)件配筋

2)高層建筑剪力墻墻體配筋率規(guī)定應(yīng)在0.25%以上，剪力墻底部加強(qiáng)部分的配筋率規(guī)定在0.3%以上。

高層剪力墻的水平配筋，是對墻體加入水平分布的鋼筋，目的是能夠提高剪力墻的抗脆性剪切破壞和抗溫度應(yīng)力破壞。對于高層建筑的大面積剪力墻的較大面積墻體需要適當(dāng)?shù)脑黾优浣?，尤其高層建筑的連梁與溫度變化敏感位置，配筋的添加要保證剪力墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

高層剪力墻的豎向配筋，是對墻體抗彎能力的加強(qiáng)。豎向配筋可以對剪力墻邊緣進(jìn)行適當(dāng)增加，鋼筋之間的間距控制在300 mm以下，并且豎向配筋應(yīng)小于橫向配筋，這樣剪力墻的抗剪能力就大于抗彎能力，有效的解決了抗震問題。

4 高層建筑大面超長剪力墻結(jié)構(gòu)處理

目前許多高層建筑中的現(xiàn)澆混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的伸縮縫已經(jīng)超過了規(guī)范設(shè)定，并且在遇到超長結(jié)構(gòu)的情況下設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)的伸縮縫間距越來越大，這個(gè)問題對于設(shè)計(jì)者來說應(yīng)該慎重，如果遇到超長結(jié)構(gòu)的情況最好設(shè)置溫度伸縮縫，盡可能的依據(jù)規(guī)范設(shè)定限值進(jìn)行設(shè)計(jì)。這是因?yàn)?1)剪力墻結(jié)構(gòu)超長，當(dāng)剪力墻受溫度變化較大時(shí)，混凝土剪力墻收縮、剪力墻容易發(fā)生變形，當(dāng)剪力墻結(jié)構(gòu)發(fā)生收縮變形時(shí)容易造成墻體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。2)高層建筑的剪力墻體型龐大，受到結(jié)構(gòu)變形和裂縫的因素也很多，如果遇到剪力墻結(jié)構(gòu)超長情況時(shí)，需要設(shè)置溫度伸縮縫才能夠降低墻體大面積變形和開裂的現(xiàn)象發(fā)生。3)隨著高層建筑使用的混凝土收縮量不斷加大(由原有的300 με增加到400 με以上)，剪力墻結(jié)構(gòu)超長導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫的因素也增多。4)高層建筑泵送混凝土?xí)r，增加了水泥的用量，從而導(dǎo)致剪力墻結(jié)構(gòu)的收縮量加大，這也加劇了產(chǎn)生裂縫的必然性。

5 結(jié)語

目前在高層建筑中剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)呈多樣化的趨勢，掌握合理的、安全的設(shè)計(jì)方法是需要我們靈活運(yùn)用概念設(shè)計(jì)再結(jié)合實(shí)際需要把握剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體設(shè)計(jì)效果，做到既體現(xiàn)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性又保證了設(shè)計(jì)的安全性。

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