連體高層剪力墻受力特點(diǎn)和設(shè)計(jì)原則分析

崔濤

【摘 要】連體高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得日趨復(fù)雜，框架、剪力墻、框一剪、筒體等已變成當(dāng)前建筑設(shè)計(jì)中的主要結(jié)構(gòu)形式，筆者就高層建筑剪力墻受力特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題作出如下探討。

【關(guān)鍵詞】連體高層建筑；剪力墻； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

The Siamese senior shear wall by the force characteristics and design principles analysis

Cui Tao

（Handan City Institute of Architectural Design Handan Hebei 056002）

【Abstract】Siamese structure of the high-rise building design is becoming increasingly complex， frame， shear wall， frame a cut， the cylinder has become the main structure of the building design， the author on the characteristics of the shear wall by the force of high-rise buildings and structural designissues explore.

【Key words】Siamese high-rise building；Shear wall；Structural design

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(jié)構(gòu)和框架--剪力墻的露柱構(gòu)件對建筑空問的嚴(yán)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(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，所以連體高層建筑結(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. 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(cè)移成為控制指標(biāo)。

（4）結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計(jì)指標(biāo)。伴隨著這些設(shè)計(jì)特點(diǎn)逐步發(fā)展形成了能適應(yīng)人們新的住宅觀念的高層住宅結(jié)構(gòu)形式，即“短肢剪力墻結(jié)構(gòu)”形式。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是指墻肢的長度為厚度的5～8倍的剪力墻結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算原則

剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求綜合考察結(jié)構(gòu)是否合理，就結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的幾個重要技術(shù)指標(biāo)調(diào)整原則簡述如下。

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(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），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?！陡咭?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。該條文若能在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中充分利用，則對節(jié)省工程造價(jià)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(diào)整原則規(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)層問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)建議

3.1 剪力墻合理定位剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻宜沿主軸方向或其他方向雙向布置；抗震設(shè)計(jì)的剪力墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)避免僅單向有墻的結(jié)構(gòu)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(yīng)盡可能均勻、對稱，盡量使結(jié)構(gòu)的剛度中心和質(zhì)量中心重合，以減少扭矩。內(nèi)外剪力墻應(yīng)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(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。如何判斷結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度是否適宜，剪力墻數(shù)量是否合適呢？規(guī)則結(jié)構(gòu)周期的經(jīng)驗(yàn)公式：T1=（0.05～0.06n，n為結(jié)構(gòu)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(xì)的規(guī)定，對于設(shè)計(jì)8度區(qū)的三級抗震剪力墻的規(guī)定：按二級抗震等級設(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度的1/16，且不應(yīng)小于200mm，其他部位不應(yīng)小于層高或剪力墻的1/20，且不應(yīng)小于160mm。如某設(shè)計(jì)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(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、三綴抗震下設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)低于0.25%，而對于四級抗震設(shè)計(jì)和非抗震設(shè)計(jì)時(shí)則不應(yīng)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(shí)應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)應(yīng)具有延性，細(xì)高的剪力墻（高寬比大于2）容易設(shè)計(jì)成彎曲破壞的延性剪力墻，從而可避免脆性的剪切破壞。當(dāng)墻的長度很長時(shí)，為了滿足每個墻段高寬比大于2的要求，可通過開設(shè)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(rèn)為分成了獨(dú)立墻段。此外，墻段長度小時(shí)，受彎產(chǎn)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(jié)構(gòu)中，有少量長度大于8m的大墻肢，計(jì)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(shí)，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(jié)構(gòu)形成各個擊破，這是極不利的。當(dāng)墻肢長度超過8m時(shí)。有兩種處理方法：開施工洞或開計(jì)算洞。開施工洞，即在施工時(shí)墻上留洞，完工時(shí)砌填填充墻，把長墻肢分成短墻肢。開計(jì)算洞，即結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)設(shè)有洞，施工時(shí)仍為混凝土墻，這樣計(jì)算，可使其它小墻肢的配筋得到加強(qiáng)。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(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。連粱易超筋的部位，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)，在墻肢處連粱易超筋。剪力墻連梁對剪切變形十分敏感，當(dāng)剪力墻連梁不滿足連梁的尺寸要求時(shí)，《高規(guī)》處理方法：（1）減小連梁的截面高度。（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）當(dāng)連梁破壞對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)?、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。

4. 結(jié)語

高層剪力墻結(jié)構(gòu)因其抗側(cè)剛度大，能有效地減少側(cè)移，且具有較好的抗震性能，因而被廣泛應(yīng)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(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，運(yùn)用剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則，建筑設(shè)計(jì)就會更加安全、實(shí)用、可靠、經(jīng)濟(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊建國.論建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)[J].山西建筑，2007，33：15.

[2] 王法武.高層框架及剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)移優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].工業(yè)建筑，2006，6.

[3] 李國勝.多高層鋼筋混凝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中疑難問題的處理及算例[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.