高層建筑混凝土剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探究

于友江

【摘 要】隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市化建設(shè)進(jìn)程的加快，尤其是高層建筑的與日俱增和社會(huì)對(duì)抗震要求的逐漸重視，混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)在民用建筑尤其是高層建筑中已經(jīng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本文針對(duì)高層建筑混凝土剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了淺要的分析。

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

【Abstract】With China's rapid socio-economic development and the accelerated process of urbanization， especially in the growing high-rise buildings and the community's increasing emphasis on seismic requirements， the concrete wall structure， especially in civil construction high-rise buildings has been more wide range of applications. In this paper， the structure of concrete shear wall high-rise building design of the light to the analysis.

【Key words】High-rise buildings；Concrete shear wall；Design

1. 引言：

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市化建設(shè)進(jìn)程的加快，尤其是高層建筑的與日俱增和社會(huì)對(duì)抗震要求的逐漸重視，混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)在民用建筑尤其是高層建筑中已經(jīng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。與框架結(jié)構(gòu)相比，剪力墻結(jié)構(gòu)更為寬敞、簡潔，不僅增加了使用面積，而且使用功能也更好，并能為住戶的自行改造提供足夠的靈活性。同時(shí)，剪力墻用鋼量較省，整體性好，結(jié)構(gòu)剛度大，而且可以在高層住宅或賓館等居住型的建筑中，將居室或客房采用分隔墻來分為小間，此過程中通過將分隔墻與承重墻合二為一，因此相對(duì)來說也比較經(jīng)濟(jì)。本文針對(duì)高層建筑混凝土剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了淺要的分析。

2. 高層建筑結(jié)構(gòu)的受力分析

建筑結(jié)構(gòu)通常主要是受到來自于垂直與橫向兩個(gè)方向的外力。多層建筑由于其高寬比較小，平面的尺寸較大，結(jié)構(gòu)的高度較低，并且結(jié)構(gòu)受到地震作用和風(fēng)荷載作用也很小，因此在多層建筑的設(shè)計(jì)中主要是考慮如何來抵抗其垂直的荷載。然而隨著建筑物高度的不斷增加，其受力特點(diǎn)也同樣在逐步地產(chǎn)生變化，而在設(shè)計(jì)時(shí)則主要考慮垂直荷載、橫向荷載、結(jié)構(gòu)展延性以及側(cè)向移動(dòng)等方面。

2.1 垂直荷載。

通常高層建筑物的垂直荷載都較大，并會(huì)在柱中產(chǎn)生相當(dāng)?shù)拇怪睉?yīng)力，以此來影響連續(xù)框架梁的彎矩，而且同時(shí)還會(huì)影響預(yù)制構(gòu)件的下料長度。所以必須考慮其垂直荷載對(duì)其軸向變形的影響，從而對(duì)其下料長度作出相應(yīng)的調(diào)整。

2.2 橫向荷載。

對(duì)于高層建筑來說，其在一定高度范圍內(nèi)的垂直荷載基本上是固定的，但是包括來自地震作用與風(fēng)荷載作用的橫向荷載值，則會(huì)隨著建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的區(qū)別而導(dǎo)致較大的影響和變化。

2.3 結(jié)構(gòu)延性。

與多層建筑相比，高層建筑的結(jié)構(gòu)在碰到地震作用時(shí)，其所發(fā)生的變形就會(huì)大得多。為了保證建筑在其塑性的變形階段當(dāng)中仍能具備較強(qiáng)的變形能力，就必須在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中采取相應(yīng)措施來保證其結(jié)構(gòu)展延性。

2.4 側(cè)向移動(dòng)。

對(duì)于結(jié)構(gòu)側(cè)向移動(dòng)的控制是在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵所在。而且隨著其建筑高度的逐漸增加，在橫向荷載作用下的結(jié)構(gòu)側(cè)移變形就會(huì)隨其建筑高度的增加而迅速增大。針對(duì)高層建筑的這一特征，其在橫向荷載的作用下產(chǎn)生的側(cè)移就必須進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

3. 高層建筑混凝土剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高層建筑結(jié)構(gòu)中主要受力的構(gòu)件包括框架梁、柱、樓板和剪力墻。其中作為垂直構(gòu)件的混凝土剪力墻是其提供結(jié)構(gòu)剛度的第一構(gòu)件，它在高層建筑當(dāng)中承受結(jié)構(gòu)的絕大部分橫向荷載和垂直荷載。而當(dāng)高層建筑的受力結(jié)構(gòu)主體全部由剪力墻構(gòu)件來構(gòu)成時(shí)，就形成了通常所說的剪力墻結(jié)構(gòu)。在剪力墻結(jié)構(gòu)中單肢的剪力墻承擔(dān)了所有的橫向荷載和垂直荷載?；炷良袅Y(jié)構(gòu)是一種較為優(yōu)良的結(jié)構(gòu)體系，屬于剛性結(jié)構(gòu)，其剛度和強(qiáng)度都比較高并且具備一定的展延性，傳力也均勻直接，有不錯(cuò)的抗倒塌能力和較高的整體性。高層建筑混凝土剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)從下述幾個(gè)方面來考慮。

3.1 合理的結(jié)構(gòu)布置。

所有民用建筑的結(jié)構(gòu)布置都應(yīng)盡可能遵循簡潔、規(guī)則的原則，保證結(jié)構(gòu)的質(zhì)心與剛心相一致，而對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)來說，剪力墻的方案布置、墻肢的長短等均應(yīng)合理。因?yàn)榈撞靠蚣堋袅Y(jié)構(gòu)中的剪力墻屬于低矮墻，且其抗剪剛度相對(duì)較大，所以如果平面形式復(fù)雜、布置的墻肢較長，就很容易出現(xiàn)受力過于集中、局部剛度過大的現(xiàn)象，甚至往往出現(xiàn)只布置極少的剪力墻就能滿足上下層的抗側(cè)剛度比限值的情況。所以在剪力墻布置方案上必須要堅(jiān)持對(duì)稱、均勻、周邊、分散的原則，且墻片不宜過長，墻片平面形式也不宜采用增強(qiáng)抗側(cè)剛度的“T”、“L”等平面形式，而應(yīng)盡可能采用“一”字平面形式。同時(shí)還應(yīng)控制好剪力墻的最大間距，以滿足規(guī)范的要求?？v向剪力墻還應(yīng)在外縱軸布置好開窗洞的剪力墻，這樣就能大大增強(qiáng)其橫向抗傾覆的能力，以避免邊柱產(chǎn)生過大的拉力和壓力。

3.2 建筑高度和層數(shù)要求。

根據(jù)資料和研究證明，隨著樓層數(shù)的增加，剪力墻結(jié)構(gòu)的震害將會(huì)加劇，所以規(guī)范對(duì)于結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑物的高度和層數(shù)有著嚴(yán)格的限值要求。其中的建筑高度指的是從室外地面至檐口或者屋面板板面的高度，對(duì)于半地下室結(jié)構(gòu)則從室內(nèi)地面算起，而對(duì)于全地下室或者嵌固條件較好的半地下室則仍然應(yīng)從其室外地面算起。對(duì)于那些帶閣樓的坡屋頂則應(yīng)算至山墻的半高處。

3.3 抗震要求。

根據(jù)歷史上地震的記錄及其分析研究，之所以底層框架——剪力墻結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞，究其原因就在于其上部剛度和底層剛度之比太過于懸殊。因而導(dǎo)致當(dāng)?shù)卣鸺凶饔玫降讓訒r(shí)，就會(huì)因?yàn)榈讓觿偠容^上部結(jié)構(gòu)要小得多而造成底層彈塑性的明顯且突出的集中變形的現(xiàn)象。所以控制上部剛度和底層剛度之比是非常關(guān)鍵的。對(duì)于不同的抗震設(shè)防烈度，抗震要求也有一定的區(qū)別。

3.4 底層框架柱布置。

如果剪力墻結(jié)構(gòu)的底層是全框架的結(jié)構(gòu)形式，那么在其內(nèi)柱X、Y向軸線的砌體墻中均應(yīng)設(shè)置構(gòu)造柱或者框架柱，且其底部全框架結(jié)構(gòu)的柱距不宜太大，一般要求控制在到八米以內(nèi)，而且每根框架梁上最多只能設(shè)置一道非落地的剪力墻。從使用功能來講，通常底部全框架結(jié)構(gòu)的民用建筑大部分為商住樓，而該跨對(duì)應(yīng)的上部結(jié)構(gòu)即可分割成兩個(gè)開間，無論上部結(jié)構(gòu)是用作辦公還是住宅，該跨所對(duì)應(yīng)的上部結(jié)構(gòu)開間的尺寸都能夠達(dá)到填充砌體結(jié)構(gòu)所能達(dá)到的功能，以此來控制每根框架梁上部僅設(shè)置一道非落地墻。與此同時(shí)考慮到大框架梁的梁高一般控制在梁跨的八分之一到五分之一，而如果柱距過大，就會(huì)使得梁截面及其配筋率出現(xiàn)超限，而且增加上部結(jié)構(gòu)非落地墻的數(shù)量也會(huì)使這種現(xiàn)象趨于嚴(yán)重。

3.5 過渡層的設(shè)計(jì)。

對(duì)于存在過渡層或者轉(zhuǎn)換層的剪力墻結(jié)構(gòu)，比如底層框架剪力墻結(jié)構(gòu)，其過渡層或者轉(zhuǎn)換層的剪力墻墻體在地震中需要提供的抗傾覆力矩和抗剪切力最大，且其受力也最不利。除此之外，由于在垂直均勻荷載的作用下，過渡層或者轉(zhuǎn)換層的剪力墻墻體處于拉剪或者者壓剪的應(yīng)力狀態(tài)，而一旦有橫向荷載作用時(shí)，過渡層或者轉(zhuǎn)換層的剪力墻墻體的橫向承載力及其抗裂性能都將相應(yīng)地降低。根據(jù)試驗(yàn)表明，在垂直和反復(fù)橫向荷載的作用下，過渡層或者轉(zhuǎn)換層的剪力墻墻體的橫向承載力大約會(huì)降低兩到三成。而如果按驗(yàn)算一般墻體橫向承載力的方法，當(dāng)其托梁的高跨比或者者垂直荷載較小時(shí)，就將會(huì)過高地估計(jì)過渡層或者轉(zhuǎn)換層剪力墻的抗震承載力，從而降低結(jié)構(gòu)抗震的安全可靠性。因此過渡層或者轉(zhuǎn)換層應(yīng)在每開間設(shè)置圈梁以及構(gòu)造柱，以形成類框架體系，從而增強(qiáng)過渡層或者轉(zhuǎn)換層傳遞地震剪切力的能力，并大大增加其展延性以及耗能能力。

3.6 連梁設(shè)計(jì)。

剪力墻的連梁是一件耗能構(gòu)件，因此它的剪切破壞將對(duì)抗震不利，并會(huì)使結(jié)構(gòu)的延性大大降低。在設(shè)計(jì)過程中就要注意對(duì)連梁進(jìn)行強(qiáng)剪弱彎的驗(yàn)算，以保證連梁的剪切破壞晚于彎曲破壞。所以切忌人為來加大連梁的縱筋，這樣就有可能無法滿足其強(qiáng)剪弱彎的要求，也不能單純地認(rèn)為加大箍筋就一定能保證其強(qiáng)剪弱彎的要求。因?yàn)楫?dāng)連梁不能滿足其截面控制條件時(shí)，一味盲目地增加箍筋必然會(huì)導(dǎo)致連梁在其箍筋還未充分發(fā)揮作用時(shí)就發(fā)生剪切破壞。而連梁截面的抗剪計(jì)算中，對(duì)于那些跨高比大于2.5的連梁，應(yīng)注意將其剪力設(shè)計(jì)值乘以增大系數(shù)。

3.7 長墻肢的處理。

高層建筑剪力墻的結(jié)構(gòu)還必須具備足夠的展延性，特別是對(duì)于呈高細(xì)形狀的剪力墻（即高寬比超過二）而言，就具有較好的展延性和彎曲破壞的屬性，從而能夠很好地避免發(fā)生脆性剪切破壞。然而在墻肢長度比較長的情況中，為了滿足其每個(gè)墻段的高寬比都超過二，就可以采取開洞的方式來將長墻分割成為獨(dú)立的、小而均勻的墻段。此外，當(dāng)其墻段的長度較小時(shí)，因受彎而導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫的寬度也比較小，這樣就可以充分地發(fā)揮出剪力墻墻體配筋的作用。另外對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)當(dāng)中存在的不多的長度超過八米的剪力墻長墻肢而言，在理論計(jì)算當(dāng)中其樓層的剪力絕大部分都是由這些剪力墻的長墻肢來承擔(dān)。因此在發(fā)生地震尤其是超烈度的強(qiáng)震時(shí)，這些長墻肢就是最容易遭到破壞的。而短墻肢則會(huì)因沒有足夠多的配筋，從而使整個(gè)墻面的結(jié)構(gòu)遭到全面的破壞。為了避免這種不利的現(xiàn)象發(fā)生，因此對(duì)于大于八米的長墻肢，可以通過以下兩種方法來處理：一方面，采取開施工洞，也就是在施工的過程當(dāng)中于墻上留洞，而混凝土結(jié)構(gòu)完成時(shí)再砌筑填充墻體，從而將長墻肢分隔成為短墻肢。第二，采取開計(jì)算洞，也就是在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)PK計(jì)算的過程中假設(shè)有洞，而在繪制施工圖時(shí)卻不留洞，從而通過這種特殊的計(jì)算方式來加強(qiáng)其它的短墻肢的配筋。對(duì)于這種方法而言一般適合用作地下室外墻等不允許開施工洞的長墻肢。

4. 結(jié)語

只有合理的結(jié)構(gòu)體系才能保證建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和安全性，因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)遵循規(guī)范的要求以及甲方的需要，來選擇合理的結(jié)構(gòu)體系。而在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，整個(gè)體系的剪力墻布置和調(diào)整過程就是一個(gè)逐步優(yōu)化的過程，直到按照周邊均勻?qū)ΨQ的原則將結(jié)構(gòu)體系的位移與剛度趨于最合理，才能使材料發(fā)揮最大的效能。其中的連梁作用不可忽視，其剛度將直接影響整個(gè)剪力墻結(jié)構(gòu)的整體剛度。尤其不可盲目增大某一個(gè)或幾個(gè)構(gòu)件的剛度，以至于造成薄弱位置轉(zhuǎn)移甚至產(chǎn)生新的薄弱部位。

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[文章編號(hào)]1619-2737（2015）07-12-081