高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點(diǎn)

羅海廣

廣東名都設(shè)計有限公司 510095

摘要：近年來，我國的社會經(jīng)濟(jì)水平不斷發(fā)展和提高，作為一個高層建筑重要的組成部分的連梁剪力墻結(jié)構(gòu)，是墻的應(yīng)力傳遞紐帶的一個十分重要的環(huán)節(jié)間的、延性、剛度、耦合強(qiáng)度等特性均會對剪力墻的性能產(chǎn)生影響。本文針對提高建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：剪力墻；結(jié)構(gòu)設(shè)計

剪力墻結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用在高層建筑當(dāng)中，剪力墻結(jié)構(gòu)的整體性強(qiáng)、剛度大，可以大大有助于解決高層建筑防震等問題。通常剪力墻結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)在分間比較多的建筑物中，比如旅館等，剪力墻結(jié)構(gòu)可以讓房間的分隔墻和承重墻合二為一，可以節(jié)省空間，又可以符合房間建筑強(qiáng)度的要求。使用剪力墻結(jié)構(gòu)，可以隱藏室內(nèi)的房梁等結(jié)構(gòu)，讓室內(nèi)的墻體整體看上去更整體性、美觀、簡潔，利于進(jìn)行室內(nèi)的布置。但是剪力墻結(jié)構(gòu)也存在一些弊端，要通過優(yōu)化剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的方式來降低高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)中存在的弊端。

一、剪力墻的基本概念

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計時在高層建筑中廣泛應(yīng)用的一種墻體結(jié)構(gòu)，這種墻體結(jié)構(gòu)的原料主要是鋼筋混凝土，用鋼筋混凝土墻板來代替框架結(jié)構(gòu)中的梁柱，能承擔(dān)各類荷載引起的內(nèi)力，并可以對結(jié)構(gòu)的水平力進(jìn)行有效的控制，這種用鋼筋混凝土墻板來承受豎向和水平力的結(jié)構(gòu)稱為剪力墻結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)被大量運(yùn)用在在高層房屋中。剪力墻截面具備以下幾點(diǎn)特點(diǎn)：有著墻肢長度遠(yuǎn)大于厚度，并且自身平面內(nèi)具有很大的承載力與剛度，平面外剛度和承載力都相對比較小，墻肢屬于偏心受壓或者偏心受拉構(gòu)件。與此同時，在剪力墻結(jié)構(gòu)中，墻屬于一個平面的構(gòu)件，除了可以承受沿其平面作用的水平剪力以及彎矩之外，還能夠承擔(dān)豎向壓力；在軸力、剪力、彎矩的復(fù)合狀態(tài)下進(jìn)行工作，其受水平力作用時似一底部嵌固于基礎(chǔ)上的懸臂深梁。在地震作用或風(fēng)載下剪力墻除了需要符合剛度強(qiáng)度要求，還得滿足非彈性變形反復(fù)循環(huán)下的延性、能量耗散以及控制結(jié)構(gòu)裂而不倒的需求。另外，在高層建筑中，剪力墻的設(shè)計隱藏了大量的承重柱，能夠使房屋內(nèi)部建造更加美觀、簡潔，可以普遍滿足我國居民對建筑內(nèi)部的美觀性的需求，而且可以為室內(nèi)設(shè)計提供很大的空間，滿足現(xiàn)代城鎮(zhèn)居民的生活需求。

二、剪力墻的分類

剪力墻由于其孔洞的數(shù)量與大小的不同，影響其內(nèi)力分布、受力特點(diǎn)以及變形狀態(tài)，根據(jù)其開洞的情況，能夠分為整截面墻、聯(lián)肢墻、整體小開洞墻等。

1、整截面墻：剪力墻不開洞或洞口面積小于總面積的16%，而且洞口長邊尺寸平均低于洞口至墻邊的凈距和洞口凈距。受力性能類似整體的懸臂構(gòu)件，墻肢法向應(yīng)力分布呈線性，破壞形態(tài)似偏心受壓柱，在設(shè)計的時候，需要盡可能地把豎向鋼筋分布在墻肢兩端。

2、聯(lián)肢墻：當(dāng)剪力墻的洞口沿豎向成列布置，洞口面積超過墻體總面積的16%，各墻體由連梁連接，墻肢單獨(dú)作用明顯，連梁中部出現(xiàn)反彎點(diǎn)。

3、整體小開洞墻：當(dāng)剪力墻洞口上下對齊，成列布置，洞口稍大，形成明確的墻肢和連梁，墻肢和連梁剛度較均勻。受力性能也可按整體懸臂構(gòu)件考慮，并應(yīng)考慮墻肢的局部彎矩，水平荷載引起的整體彎矩的85%以上由墻肢軸力所產(chǎn)生的內(nèi)力矩來平衡，局部彎矩不超過整體彎矩的15%。

三、剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)是使用鋼筋混凝土鑄造，具有良好的剛性強(qiáng)度和穩(wěn)定性，可以有效抵抗外界的壓力，打下一個高層建筑的建造的良好基礎(chǔ)。剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用可以減低施工施工單位的建材成本，剪力墻結(jié)構(gòu)中主要使用的原料是鋼筋混凝土，價格比較低廉，又可以滿足建筑強(qiáng)度的要求，在一定程度上使施工單位的經(jīng)濟(jì)效益得到提高。由于剪力墻結(jié)構(gòu)取代了傳統(tǒng)的建筑承重系統(tǒng)，因此，不會在建筑物室內(nèi)中出現(xiàn)太多的承重，最大程度節(jié)省了建筑室內(nèi)的空間，使室內(nèi)設(shè)計更加美觀，降低了樓房建筑的空間局限性。與此同時，剪力墻結(jié)構(gòu)也存在著一定的弊端，在高層建筑使用過多的剪力墻結(jié)構(gòu)時，會使建筑在遭遇強(qiáng)度大的地震時出現(xiàn)巨大的反震力，導(dǎo)致降低建筑樓體的安全性。而且剪力墻結(jié)構(gòu)所需的鋼筋混凝土材料大部分要求不高，所以在進(jìn)行建筑施工時很容易出現(xiàn)建筑質(zhì)量等問題，造成建筑及居民的人身財產(chǎn)安全受到很不利的影響。

四、剪力墻設(shè)計的原則

在剪力墻設(shè)計中，即要符合位移限值的要求，又要發(fā)揮框剪結(jié)構(gòu)中各抗側(cè)力構(gòu)件的作用，做到安全、經(jīng)濟(jì)合理。剪力墻合理數(shù)量的確定原則是：在滿足規(guī)范規(guī)定的位移限值條件的前提下，應(yīng)盡量減少剪力墻數(shù)量，可是應(yīng)該滿足在基本振型地震作用下，剪力墻部分承受的地震傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%。與此同時，規(guī)范規(guī)定框架部分承擔(dān)的剪力至少為底部總剪力的20%，或各層框架承擔(dān)的地震總剪力中最大值的1.5 倍。

五、提高高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)措施

1、防止出現(xiàn)獨(dú)立小墻肢，剪力墻剛度不宜太大

在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中有明文規(guī)定：“矩形截面獨(dú)立墻肢截面的高度不適合小于截面寬度的五倍?！比绻霈F(xiàn)以上情況，要嚴(yán)格限制墻肢軸壓比、配筋等，設(shè)計施工都較為困難。在實(shí)際的設(shè)計中，基本上獨(dú)立小墻肢是能夠通過合并洞口等方法解決的，或者對剪力墻進(jìn)行合理的布置，讓小墻肢成為墻體翼緣，其受力狀態(tài)明顯好于獨(dú)立小墻肢，秩序適當(dāng)?shù)丶訌?qiáng)配筋就行了。同時，剪力墻結(jié)構(gòu)還得具備一定的延性，細(xì)高的剪力墻容易設(shè)計成彎曲破壞的延性剪力墻，以此可以避免脆性的剪切破壞。

2. 優(yōu)化連梁設(shè)計

按照《高規(guī)》在連梁設(shè)計方面的要求，對于連梁抗震及非抗震設(shè)計時高跨比大于2.5 及小于2.5 兩種情況，在配筋方面和截面受剪承載力有不一樣的規(guī)定。因此，需要把連梁進(jìn)行塑性調(diào)幅，從而減少剪力設(shè)計值。塑性調(diào)幅可以選擇使用2種方式：（1）在內(nèi)力計算之前折減連梁的剛度；（2）在計算內(nèi)力后，把連梁彎矩與剪力組合值乘以折減系數(shù)。不管選擇什么方法，連梁調(diào)整后的剪力設(shè)計值、彎矩不可以低于使用狀況的值，也不能低于比設(shè)防烈度低一度的地震組合所得的彎矩設(shè)計值，防止在平常使用條件下，或者較小的地震作用下，出現(xiàn)連梁裂縫。與此同時，還得重視連梁的鉸接處理。

3.底部加強(qiáng)部位的設(shè)計

在設(shè)計剪力墻時，通常高層剪力墻結(jié)構(gòu)，底部加強(qiáng)部位的高度可以取底部兩層高度二者的較大值，以及嵌固部位以上墻肢總高度的1/8；底部帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)，其剪力墻底部加強(qiáng)部位的高度可以取墻肢總高度的1/8 二者的較大值及框支層加上框支層以上2 層的高度。如果把地下室頂板作為嵌固部位，在受到地震的影響下，屈服部位就會發(fā)生在地上樓層，并且還會影響著地下一層，此時，地下一層的抗震等級不可以降低，提高部位的范圍需要向下延伸到地下一層，而且還要根據(jù)相關(guān)的要求規(guī)范，在地下一層設(shè)立約束邊緣的構(gòu)件。

4. 剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)以及概念設(shè)計

振動臺模擬地震試驗(yàn)結(jié)果表明，剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)是：建筑平面外邊緣及底部外圍的小墻肢、角點(diǎn)處的墻肢、連梁等。如果有扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，首先開裂的就是建筑平面外邊緣以及角點(diǎn)處的墻肢；在受到地震的影響下，高層剪力墻結(jié)構(gòu)會以整體彎曲變形為主，底部表面的小墻肢，截面的面積較小而且承受較大的豎向荷載，從而有較為嚴(yán)重的破壞，特別“一”字形小墻肢受到較為嚴(yán)重的破壞；由于在剪力墻結(jié)構(gòu)中墻肢的剛度相對會降低，從而導(dǎo)致增加了連梁受剪破壞的可能性。所以，對這些薄弱環(huán)節(jié)，在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中就要進(jìn)一步加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施以及抗震概念的設(shè)計。比如，在平面上剪力墻的分布要均勻，盡量讓建筑物質(zhì)中心與其鋼度中心接近，以降低扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

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，這樣會不利于抗震，因此在進(jìn)行設(shè)計時，需要注意對連梁進(jìn)行“強(qiáng)剪弱彎”的驗(yàn)算，確保連梁的受彎屈服先于剪切破壞；剪力墻適宜在2個方向均有梁與之拉結(jié)，連梁）適宜布置在各肢的平面里，防止采用“一”字形墻肢；剪力墻底部的部位配筋要符合相關(guān)要求。

六、結(jié)束語

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計，有著提高建筑性能的良好作用。因此，在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)工程具體的特點(diǎn)，正確計算、分析剪力墻其受力狀態(tài)，結(jié)合其破壞形態(tài)進(jìn)行設(shè)計并達(dá)到結(jié)構(gòu)的安全性。唯有熟練、清楚地掌握規(guī)范，具備一個結(jié)構(gòu)概念，才可以設(shè)計出安全、優(yōu)秀、實(shí)用又經(jīng)濟(jì)的建筑作品。

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