剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

潘啟釗

（貴州省凱里市建筑設(shè)計院 貴州凱里 556000）

剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

潘啟釗

（貴州省凱里市建筑設(shè)計院 貴州凱里 556000）

當(dāng)前，剪力墻結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用，由于其自身具備的獨特優(yōu)點，能夠有效保障建筑物整體的使用質(zhì)量，受到了建筑行業(yè)的高度重視。本文即以具體工程為例，探討了剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計。

剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計；建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計；特點

引言

當(dāng)前，剪力墻結(jié)構(gòu)憑借著其較強的剛韌性與抗震性，被廣泛應(yīng)用于建筑工程中。但是，目前我國剪力墻結(jié)構(gòu)體系尚未完善，其設(shè)計工作存在一定的難題。剪力墻結(jié)構(gòu)質(zhì)量的好壞會直接影響到整體建筑工程項目的施工質(zhì)量，對于建筑企業(yè)而言，必須高度重視剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計問題。

1 剪力墻結(jié)構(gòu)及其特點分析

建筑的墻體按照受力的特點可以分為承重墻和剪力墻兩類，承重墻主要承受的是豎向荷載，而剪力墻主要承受的是地震、風(fēng)荷載等作用引起的水平荷載，也可以稱為抗震墻、抗風(fēng)墻。剪力墻結(jié)構(gòu)具有十分明顯的優(yōu)越性：①側(cè)向剛度較大，在水平方向的荷載作用下不會有較大側(cè)移，承載力及抗側(cè)力較好。②剪力墻結(jié)構(gòu)自重較大，對于吸收地震能量而言優(yōu)勢明顯。③相較于梁柱結(jié)構(gòu)而言，剪力墻和樓板組成的受力體系形成的建筑空間更為寬敞，其樓蓋是不設(shè)梁的平板結(jié)構(gòu)，使得凈高增加，建筑空間利用率提升。但是，剪力墻也存在明顯的缺點：①因其間距的限制，剪力墻不能形成太大的開間；②剪力墻的墻體比較密，制約了建筑平面和空間的布置；③剪力墻結(jié)構(gòu)體系造價比較高，施工技術(shù)也較為繁瑣。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

2.1 剪力墻平面布置

在進行剪力墻平面布置時，要盡量防止出現(xiàn)單向有墻的情況，剪力墻要沿著主軸及其他方向進行雙向、多向布置；剪力墻的抗側(cè)力剛度不能太大，一般情況下，為了充分發(fā)揮剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度和承載力，可以適當(dāng)?shù)卦黾蛹袅Φ拈g距，從而保證剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度合適。設(shè)計人員可以根據(jù)經(jīng)驗公式T=（0.05-0.06）n（其中n為層數(shù)），計算出T值，從而判斷剪力墻的數(shù)量及側(cè)向剛度。如果計算結(jié)果T比搭模計算周期T1大，則可以適當(dāng)?shù)卦黾蛹袅Φ臄?shù)量；如果計算結(jié)果T比搭模計算周期T1小，則說明剪力墻比較多，可以適當(dāng)?shù)販p少剪力墻的數(shù)量或者鑿開一些合理的孔洞，降低剪力墻的剛度。

2.2 約束邊緣構(gòu)件處理

無約束邊緣構(gòu)件剪力墻和有約束邊緣構(gòu)件剪力墻相比較，其極限承載力降低40%，極限層間位移角就會減少一倍，對地震能量的消耗能力就會減少20%。因此，在設(shè)計剪力墻結(jié)構(gòu)時，要根據(jù)不同級別的剪力墻軸壓比，選用相對應(yīng)的邊緣構(gòu)件。剪力墻邊緣構(gòu)件可以分為約束邊緣構(gòu)件和構(gòu)造邊緣構(gòu)件兩種情況，對于一級剪力墻和二級剪力墻結(jié)構(gòu)，當(dāng)剪力墻底部加強部位上面的普通部位和三級、四級非抗震設(shè)計建筑底部加強部位軸壓比小于相關(guān)規(guī)定時，要設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件；當(dāng)一級剪力墻和二級剪力墻結(jié)構(gòu)，當(dāng)剪力墻底部加強部位和高層建筑、重力荷載作用下墻體的軸壓比大于相關(guān)規(guī)定，要設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。

2.3 剪力墻墻身鋼筋

在進行剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計時，一般情況下，對于四級抗震設(shè)計和非抗震設(shè)計，剪力墻水平方向和垂直方向的分布筋配筋率不能小于0.20%；對于一級、二級、三級抗震設(shè)計，剪力墻水平方向和垂直方向的分布筋配筋率要小于0.25%。

2.4 剪力墻連梁問題

在剪力墻結(jié)構(gòu)中，在水平荷載的作用下，墻肢會發(fā)生變形，從而引起連梁產(chǎn)生內(nèi)力，這時連梁端部的內(nèi)力會減小連接墻肢產(chǎn)生的變形內(nèi)力，從而約束墻肢變形，連梁對剪力墻結(jié)構(gòu)十分重要。連梁超筋是剪力墻連梁常見的問題，其本質(zhì)是剪力剪壓比無法滿足相關(guān)要求，當(dāng)墻段比較長時，連梁容易超筋的部位大多集中在中間段；當(dāng)墻段中墻肢截面高度相差比較大，并且分布不均勻時，墻肢處連梁容易出現(xiàn)超筋現(xiàn)象。出現(xiàn)連梁超筋現(xiàn)象后，可以采用以下幾種方法進行處理：①可以通過調(diào)整剪力墻中連梁彎矩剪力塑形進行處理；②根據(jù)實際情況，適當(dāng)?shù)臏p少連梁截面高度；③當(dāng)連梁破壞對垂直方向的荷載影響不大時，可以從地震作用的角度進行思考，放棄使用該連梁，計算獨立墻肢在多遇地震情況下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，墻肢配筋則應(yīng)按照兩次計算得出的大內(nèi)力進行。

3 工程實例

3.1 工程概況

某工程項目總用地面積為 75159.4m2，建筑面積為204272.01m2。抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度（0.15g），場地類別為Ⅳ類，設(shè)計地震分組為第二組，特征周期為0.75s，地面粗糙度為B類。該工程場地土軟弱，處在抗震不利地區(qū)，擬對其中的5#樓（31層）進行介紹。該棟建筑地面以上主體結(jié)構(gòu)高度為93.0m，Y向?qū)挾葹?6.8m，高寬比約為5.5，為純剪力墻結(jié)構(gòu)，5#樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖見圖1。

結(jié)構(gòu)的第一平動、扭轉(zhuǎn)周期分別為1.942，1.346s，周期比為0.693，滿足規(guī)范規(guī)定其值小于0.9的要求。不考慮偶然偏心時結(jié)構(gòu)位移比小于1.2，考慮偶然偏心時結(jié)構(gòu)位移比小于1.4。地震作用下，結(jié)構(gòu)X，Y向的最大層間位移角分別為1/1059，1/1010。由于建筑場地土軟弱，地震效應(yīng)巨大，剪力墻結(jié)構(gòu)最大層間位移角不宜超過1/1000。

圖1 5#樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖

3.2 建立計算模型

3.2.1 初步設(shè)計

雖然場地土軟弱，但高層建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計的總體布置上都有著某些共性。①高層建筑建?？傮w原則：增大外圍結(jié)構(gòu)的剛度，適當(dāng)削弱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的剛度。由于場地土軟弱導(dǎo)致地震效應(yīng)大，因此將建筑的外圍全部做成剪力墻，普通開窗處做成墻開洞連梁，凸窗處因豎向構(gòu)件建造受限，做成普通梁外帶懸挑板，如此設(shè)計是保證結(jié)構(gòu)剛度滿足高規(guī)要求的前提條件，若沒有特殊原因，任何情況下其剛度都不得釋放。②將核心筒部分包括其相鄰結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如強弱電、水暖、送風(fēng)井等）全部都做成剪力墻，該部分為結(jié)構(gòu)薄弱部位。

3.2.2 完善和調(diào)整

由于結(jié)構(gòu)Y向高寬比較大，剪力墻布置對其側(cè)向剛度有著最為直接的影響，經(jīng)過反復(fù)計算，盡管將結(jié)構(gòu)Y向的所有建筑墻體都布置剪力墻（中心處除外），其側(cè)向剛度仍有欠缺，因此繼續(xù)將Y向所有開門窗洞口部位都做成墻開洞連梁后才能增加其側(cè)向剛度，達到高規(guī)的相關(guān)要求。

X向剪力墻布置與Y向有較大的區(qū)別：①X向高寬比較小，不需要布置太多的剪力墻；②由于外墻門窗的影響又不能布置較長的剪力墻，有些部位因為要做突窗而不能布置剪力墻。為協(xié)調(diào)此矛盾，在X向外圍有條件的位置處均布置剪力墻，同時以X向側(cè)向剛度滿足高規(guī)的相關(guān)要求為前提來控制中間部分剪力墻的布置長度。

3.2.3 X，Y向剛度調(diào)整

采用PKPM進行結(jié)構(gòu)建模分析時，剪力墻增加建筑側(cè)向剛度的多少，主要與建筑的高寬比、剪力墻所處的部位以及填充墻的厚度有關(guān)：①高寬比越小，其增加的側(cè)向剛度就越多；②布置在建筑外圍較內(nèi)部增加得多；③200厚填充墻處較100厚的增加得多。因此結(jié)構(gòu)建模時建筑填充墻處做成剪力墻還是做成普通梁上附線荷載，應(yīng)主要以該方向的位移角是否滿足規(guī)范的相關(guān)要求為前提進行選取。對該建筑進行多次計算分析后，可得到如下規(guī)律：①Y向：在建筑有條件處均應(yīng)做成剪力墻，在門窗洞口處做成剪力墻開洞連梁；②X向：建筑外圍200mm厚墻體的處理同①，內(nèi)部視具體位置做成普通梁上附線荷載，100mm厚處做成普通梁上附線荷載；③核心筒處X，Y向處理同①；④中心處（建筑內(nèi)部廚房、衛(wèi)生間、陽臺集中處），因要考慮扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)的不利影響同時又要保證結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，該處100mm厚墻體X，Y向均做成普通梁上附線荷載，200mm厚墻體均做成剪力墻。

3.3 連梁設(shè)計

3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)層連梁配筋SATWE數(shù)據(jù)

通常來講，連梁分兩種情況：①因跨高比小于5形成的普通連梁，這種連梁為弱連梁，自身側(cè)向剛度小，縱向配筋相對較大，通常不會出現(xiàn)超筋現(xiàn)象；②墻開洞形成的連梁，若跨高比小于5的話，一般為強連梁，自身側(cè)向剛度大，縱向配筋相對較小，但配箍率較大，通常會出現(xiàn)超筋現(xiàn)象，本文所論述的連梁均為此類型，5#樓標(biāo)準(zhǔn)層連梁配筋SATWE數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 5#樓標(biāo)準(zhǔn)層連梁配筋SATWE數(shù)據(jù)

3.3.2 連梁設(shè)計要求

連梁具有普通梁的使用功能，其高度不能過高，因此連梁增大樓層側(cè)向剛度的范圍將受到限制。5#樓室內(nèi)門高最小值為2100mm，加上做地暖所使用的110mm厚面層，梁的最大高度（未上反）不得超過790mm（樓層層高為3m）。根據(jù)規(guī)定，滿足剪壓比可初步確定連梁的截面高度；其次，滿足斜截面抗剪承載力可最終確定連梁的截面高度并確定該連梁的最大箍筋量。

3.3.3 連梁的優(yōu)化設(shè)計

總體上來講，由于Y向受到的地震作用相對較大，Y向要保證側(cè)向剛度達到高規(guī)的要求，其連梁自身的側(cè)向剛度就要較X向大。根據(jù)規(guī)定，減小連梁的截面高度可減小自身的剛度；換句話說，增大連梁的截面高度可提高自身的剛度，因此建模時連梁截面高度為Y向600mm，X向400mm。

此外，個別特殊的連梁應(yīng)進行單獨處理，如圖2中橢圓圈定的4根連梁。Y向的兩根連梁位于核心筒附近，是上半部分結(jié)構(gòu)與下半部分結(jié)構(gòu)連接的樞紐，受力很大。左側(cè)連梁由首層入口處部分剪力墻不能落地完全開洞（圖1左側(cè)橢圓圈定處）而形成，右側(cè)連梁（圖1右側(cè)橢圓圈定處）直接由剪力墻開洞形成，兩根連梁通過計算，最終確定其截面高度均為790mm；X向的兩根連梁因靠近連接樞紐，受力也很大，若按照建筑開門所留的長度尺寸做成墻開洞連梁，得到的截面高度將超過1000mm。因此，此處的連梁需要通過開大洞口釋放部分剛度，以減小自身受到的作用力，通過多次試算，最終確定其截面高度均為790mm，其他部位的特殊連梁可參照上述方法進行處理。

4 結(jié)語

綜上所述，剪力墻結(jié)構(gòu)具有較好的應(yīng)用前景。在進行剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要根據(jù)建筑工程的實際情況，確保制定的剪力墻結(jié)構(gòu)施工方案既符合施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，又能滿足經(jīng)濟要求，從而為建筑工程的施工質(zhì)量提供保障，促進建筑行業(yè)的健康、穩(wěn)定發(fā)展。

[1]邵海峰，田甜.小高層建筑中短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計淺析[J].今日科苑，2013（3）：16～17.

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[3]管小林.淺談剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中的相關(guān)問題[J].建筑知識：學(xué)術(shù)刊，2012 （10）：47.

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TU398+.2

A

1673-0038（2015）01-0023-03

2014-12-8

潘啟釗（1975-），男，苗族，貴州天柱人，工程師，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。