談高層住宅樓剪力墻結(jié)構(gòu)設計

吳獻強

【摘要】作者以工程實例為例，運用SATWE建立計算模型，對高層住宅剪力墻的結(jié)構(gòu)力學性能計算的各項指標進行了分析、比較，得到較為符合實際的動力性能和結(jié)構(gòu)布置，且通過整體分析，探究了影響剪力墻結(jié)構(gòu)設計的重要因素，并對剪力墻的約束邊緣構(gòu)件部分設計中常出現(xiàn)的問題進行了總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】剪力墻結(jié)構(gòu)；高層建筑；結(jié)構(gòu)分析；SATWE 有限元軟件

引 言

剪力墻的水平剛度大，在風荷載或者小震作用下較容易防止高層結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移導致的剪切破壞，它是主要的抗風抗震結(jié)構(gòu)構(gòu)件，控制好剪力墻結(jié)構(gòu)的水平位移和地震力這兩個因素，便可以合理的布置剪力墻的位置和數(shù)量。

SATWE是為高層結(jié)構(gòu)分析與設計而研制的空間組合結(jié)構(gòu)有限元分析軟件。本文分析運用它實現(xiàn)了剪力墻與樓板的模型，使高層結(jié)構(gòu)的簡化分析模型盡可能的使結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)更真實。

1 剪力墻設計概念

1）剪力墻高和截面高度尺寸較大但截面厚度較小，幾何特征像板，受力形態(tài)接近于柱，而與柱的區(qū)別主要是其截面高度與厚度的比值，當比值小于或等于3時宜按框架柱進行截面設計，當墻肢截面高度與厚度之比在2～4時可視為異形柱，按雙向受壓構(gòu)件設計，當墻肢截面高度與厚度之比在5～8時為短肢剪力墻，當墻肢截面高度與厚度之比大于8時為一般剪力墻。

2）剪力墻結(jié)構(gòu)中，墻除承受沿其平面作用的水平剪力和彎矩外，還承擔豎向壓力；在軸力、彎矩、剪力的復合狀態(tài)下工作，其受水平力作用下似底部嵌固于基礎上的懸臂深梁。在地震作用或風載下剪力墻除需滿足剛度強度要求外，還必須滿足非彈性變形反復循環(huán)下的延性、能量耗散和控制結(jié)構(gòu)裂而不倒的要求：墻肢必須能防止墻體發(fā)生脆性剪切破壞，因此注意盡量將剪力墻設計成延性彎曲型。

3）實際工程中剪力墻分為整體墻和聯(lián)肢墻，整體墻如一般房屋端的山墻、魚骨式結(jié)構(gòu)片墻及小開洞墻。整體墻受力如同豎向懸臂，當剪力墻墻肢較長時，在力作用下法向應力呈線性分布，破壞形態(tài)似偏心受壓柱，配筋應盡量將豎向鋼筋布置在墻肢兩端；為防止剪切破壞，提高延性應將底部截面的組合設計內(nèi)力適當提高或加大配筋率；為避免斜壓破壞墻肢不能過小也不宜過長，以防止截面應力相差過大。聯(lián)肢墻是由連梁連接起來的剪力墻，但因一般連梁的剛度比墻肢剛度小得多，墻肢單獨作用顯著，連梁中部出現(xiàn)反彎點要注意墻肢軸壓比限值。壁式框架：當剪力墻開洞過大時形成寬梁、寬柱組成的短墻肢，構(gòu)件形成兩端帶有剛域的變截面桿件，在內(nèi)力作用下許多墻肢將出現(xiàn)反彎點，墻已類似框架的受力特點，因此計算和構(gòu)造應按近似框架結(jié)構(gòu)考慮。

2 剪力墻實例設計及計算分析

文章依據(jù)某住宅小區(qū)33 層純剪力墻結(jié)構(gòu)住宅樓。總建筑面積約27143.4 m2 ，建筑層高3.0 m，室內(nèi)外高差0.45 m，建筑高度99.45 m。為比較剪力墻布置方式對主體結(jié)構(gòu)性能的影響，擬定兩個方案，方案一： 剪力墻上開洞的大小按照建筑圖的洞口布置來建立模型，即飄窗處設高連梁（ 部分位置按照施工要求設置構(gòu)造洞口，從而方便施工，如在兩個分戶單元山墻上開洞） ； 方案二： 在方案一中墻肢很長剪力墻上開設尺寸較大的結(jié)構(gòu)洞，如把一字形的截面改為L 形或T 形截面，將飄窗處的窗臺改為加氣混凝土砌塊。

計算開始之前，根據(jù)規(guī)范選取正確的參數(shù)設置正確的特殊構(gòu)件，如振型組合數(shù)，最大地震力作用方向，結(jié)構(gòu)基本周期，周期折減系數(shù)，連梁剛度折減系數(shù)，框架梁剛度放大系數(shù)，偶然偏心等的參數(shù)。規(guī)范用于控制結(jié)構(gòu)整體性的主要指標常用： 剛重比和位移比，以及剪重比與周期比、相鄰層間剛度突變等。通過幾項主要指標相比，分析出兩個方案不同的剪力墻平面布置方式對整體結(jié)構(gòu)的受力性能的影響。

進一步研究了在不同設防烈度區(qū)，相同的剪力墻結(jié)構(gòu)在地震作用下反應規(guī)律，分別計算在6 度和8 度區(qū)結(jié)構(gòu)對地震的反應，隨著地震烈度的增大，剪力墻所受的地震作用也隨之增大，但高烈度地區(qū)的地震影響作用比低烈度地區(qū)的地震影響作用增大很多，因此在地震作用下位移和位移角也隨之變大。兩方案在6 度區(qū)時整體主要技術(shù)指標均滿足規(guī)范要求，兩種方案的差別不大，都比較理想。但相對而言，方案二比方案一的技術(shù)指標更為合理。在8 度這樣的高設防烈度地區(qū)時，方案一較方案二更容易滿足位移比的要求。

綜合以上兩方案設計分析對比，得出剪力墻的平面布置方法和開洞的方法對結(jié)構(gòu)的整體受力性能和造價有較明顯的影響，其主要表現(xiàn)在以下三點：

1） 動力特性方面

結(jié)構(gòu)的整體剛度較小時，方案的第一平動周期明顯變大，平動周期與扭轉(zhuǎn)周期之比變化不明顯。方案一中第一平動周期與第一扭轉(zhuǎn)周期值的比值均小于0.9。方案二通過在剪力墻上增大原有洞口或開設結(jié)構(gòu)洞，使結(jié)構(gòu)剛度變?nèi)?，從而增長了周期，說明結(jié)構(gòu)布置更加合理。

2） 結(jié)構(gòu)受力方面

方案二結(jié)構(gòu)所受的剪力和基底彎矩都小于方案一。因此減小結(jié)構(gòu)剛度，使結(jié)構(gòu)周期變長，從而有效地減少了地震力。

3） 結(jié)構(gòu)變形方面

兩方案中結(jié)構(gòu)的位移變形指標均滿足規(guī)范中相應要求。在6 度設防時，方案二的最大層間位移角比方案一有明顯改進。但最大變形均發(fā)生在荷載工況為風載作用時，說明6 度區(qū)時高層建筑的層間位移主要由風荷載控制，設計時應將風荷載作為最首要影響因素考慮。隨著地震烈度的提高，結(jié)構(gòu)所受的地震作用也隨之增大。地震作用超過風荷載作用從而成為主要影響因素。因此在8 度區(qū)時方案一的層間位移比方案二更容易滿足規(guī)范的要求，且采用方案一時剪力墻的數(shù)量還可能進一步減少，以充分發(fā)揮建筑的空間性能的要求。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)設計中常見其他問題

剪力墻作為主要的水平抗震構(gòu)件，它的平面剛度大，平面尺寸較小，在設計中容易滿足結(jié)構(gòu)尤其是高層結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移限制和使用功能的要求，但隨著結(jié)構(gòu)的水平剛度增大，剪力墻承受的地震水平力也隨之增大； 經(jīng)研究機構(gòu)相關(guān)的實驗表明，在有橫向鋼筋約束的剪力墻結(jié)構(gòu)中，可增強剪力墻的延性。通過合理的設置邊緣構(gòu)件的配筋范圍、配箍量以及配筋形式可以做到相比不設置邊緣構(gòu)件，整體結(jié)構(gòu)的耗能能力可提高約20%，極限承載力可提高約40%。另外，轉(zhuǎn)角窗的設置會使得剪力墻的抗側(cè)力剛度、自振周期、地震作用以及結(jié)構(gòu)的整體受力性能均有一定的削弱，同時，其外墻內(nèi)力明顯增大； 因此盡量避免設置轉(zhuǎn)角窗，如設置時應采取一定的加強措施，在實際工程設計中采取的措施有：

1） 將轉(zhuǎn)角窗處的樓板厚加為120 mm，且雙層雙向配筋；

2） 轉(zhuǎn)角窗處從底到頂設置約束邊緣構(gòu)件。開洞截面高度及連梁跨度的大小對結(jié)構(gòu)的整體影響比較明顯，不容忽視，在工程實際設計中應根據(jù)具體情況，調(diào)整連梁的跨高比，使設計盡可能優(yōu)化，符合規(guī)范要求。

4 結(jié)論及建議

1） 高層建筑結(jié)構(gòu)應盡量選擇合理的結(jié)構(gòu)體系，平面形狀上力求規(guī)則、對稱、避免凸凹不規(guī)則，滿足抗震規(guī)范的要求； 縱向剛度盡量做到連續(xù)，避免層間豎向構(gòu)件不連續(xù)，盡可能保證良好的抗震性能。

2） 通過兩方案結(jié)構(gòu)受力情況的比較得出，兩方案均有比較好的剛度，在風荷載或者地震作用下不產(chǎn)生較大的水平位移，通過合理布置墻體，使結(jié)構(gòu)受力更加安全、合理。

3） 當剪力墻結(jié)構(gòu)剛度較大時，通過減少局部的一般剪力墻或開設結(jié)構(gòu)洞等措施，可有效減小兩個方向的剛度，從而減少水平構(gòu)件所受的地震力，達到安全性和經(jīng)濟性的較好統(tǒng)一。

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