剪力墻結(jié)構(gòu)在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的布置原則

汪斌斌

摘 要 隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的飛速發(fā)展，人們對(duì)建筑生活、起居的空間環(huán)境要求越來越高，由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有較好的經(jīng)濟(jì)性、抗震性、耐久性和耐火性；剪力墻結(jié)構(gòu)中室內(nèi)無外凸出的柱角，便于家具布置和分割，有利于分戶、防火、防盜、隔聲，在當(dāng)今絕大多數(shù)高層住宅、高層賓館和一般不需要大空間的建筑中仍然運(yùn)用剪力墻結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)在當(dāng)今的建筑結(jié)構(gòu)中仍占有極其重要的位置，本文就主要通過對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻布置原則進(jìn)行分析，進(jìn)一步闡述了在建筑結(jié)構(gòu)中剪力墻的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 剪力墻結(jié)構(gòu)；短肢剪力墻

1 引言

相對(duì)其他結(jié)構(gòu)體系（包括鋼結(jié)構(gòu)），剪力墻結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)成本低，整體性好，可模型性強(qiáng)，承載力高，剛度大，側(cè)移??；因風(fēng)荷載或水平地震作用引起的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件損壞少；結(jié)構(gòu)次生內(nèi)力、P-△效應(yīng)不顯著；有多道抗震防線。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)的概念

由剪力墻組成的承受豎向和水平作用的結(jié)構(gòu)稱為剪力墻結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)有良好的空間工作性能，剪力墻結(jié)構(gòu)中全部的豎向荷載和水平作用由剪力墻承擔(dān)，剪力墻結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)具有多道防線，在遭遇地震作用時(shí)，連梁是第一道防線，消耗了一部分能量，連梁破壞后，墻肢作為第二道防線，繼續(xù)抵抗地震作用和其他水平作用，此時(shí)由于部分連梁退出工作，結(jié)構(gòu)周期發(fā)生變化，能減輕建筑物的破壞程度[1]。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)布置原則

3.1 剪力墻平面布置

（1）各主軸方向布置。當(dāng)建筑平面采用三角形、Y形、正多邊形、圓形或弧形時(shí)，應(yīng)沿其主軸徑向、環(huán)向雙向布置，盡可能在某個(gè)位置同時(shí)布置，使之互為翼緣，并且保證兩個(gè)方向的側(cè)移剛度不宜相差過大[2]。盡量地不讓 “一”字剪力墻出現(xiàn)，尤其“一”字短肢剪力墻出現(xiàn)，盡可能對(duì)其設(shè)翼緣。抗震設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)采用僅單向有剪力墻的結(jié)構(gòu)布置。剪力墻結(jié)構(gòu)宜盡量設(shè)計(jì)布置成帶翼緣的盒子或利用樓、電梯間構(gòu)成小筒體，以提高剪力墻的側(cè)移剛度，改善剪力墻應(yīng)力集中，提高剪力墻延性和抗震能力，充分發(fā)揮剪力墻結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)。內(nèi)外剪力墻要盡可能對(duì)直或拉通，減少部分不均衡的作用力產(chǎn)生。

（2）剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)具有適宜的側(cè)移剛度。為了充分發(fā)揮剪力墻的側(cè)移剛度和承載力，增大剪力墻結(jié)構(gòu)的合理使用空間，剪力墻的間距不宜太密，要分散，整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度不宜過大；否則，剛度大，自重大，結(jié)構(gòu)周期短，抗震設(shè)計(jì)時(shí)地震作用大，不經(jīng)濟(jì)。一般基本周期0.60n～0.80n（n為結(jié)構(gòu)總層數(shù)）較為適宜。

（3）剪力墻平面布置盡可能均勻、對(duì)稱、周邊化，盡可能使結(jié)構(gòu)的剛心與質(zhì)心重合，以減少扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，增大結(jié)構(gòu)抗扭剛度。 “均勻”一是要求剪力墻的平面位置，間距要均勻，使得每片剪力墻有相差不大的負(fù)荷面積；二是要求剪力墻的墻肢截面尺寸要均勻，不導(dǎo)致因剪力墻的抗側(cè)剛度變化太大而承擔(dān)的水平剪力相差懸殊、出現(xiàn)應(yīng)力過大現(xiàn)象，使同一主軸方向的各片剪力墻能一起均勻的協(xié)同工作。因此剪力墻不宜過長(zhǎng)，較長(zhǎng)的剪力墻宜設(shè)置跨高比較大的連梁將其劃分成長(zhǎng)度較均勻的若干墻段，各墻段的高度與墻段長(zhǎng)度之比不宜小于3，墻段長(zhǎng)度不宜大于8米。

（4）剪力墻墻肢截面宜簡(jiǎn)單、規(guī)則、均勻，盡可能采用“T”，“L”，“工”截面墻體 。首先由于混凝土本構(gòu)關(guān)系，復(fù)雜截面不能直接采用等效矩形方法直接計(jì)算截面的承載力，另外當(dāng)前軟件一般不支持復(fù)雜截面剪力墻整截面的求取。所以墻肢截面盡量避免復(fù)雜截面出現(xiàn)。

（5）樓面主梁不宜支承在剪力墻或核心筒的連梁或其他樓面梁上。首先，連梁或其他樓面梁的面外剛度小，達(dá)不到對(duì)主梁端的約束要求，沒有足夠的抗扭剛度去抵抗平面外的彎矩；另外，由于連梁本身剪切應(yīng)變較大，再加上主梁傳來的內(nèi)力更容易使連梁產(chǎn)生破壞，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能避免。當(dāng)無法避免時(shí)，樓面次梁或主梁支承在連梁上時(shí)，梁端可按鉸接處理，此時(shí)盡可能減小主梁的截面高度，以減小主梁對(duì)連梁的不利影響。

（6）剪力墻的平面內(nèi)剛度、承載力大，而平面外剛度和承載力都很小，當(dāng)剪力墻或核心筒墻肢與其平面外相交的樓面梁剛接時(shí)，可沿樓面梁軸線方向設(shè)置與梁相連的剪力墻、扶壁柱或墻內(nèi)設(shè)置暗柱。另外還可以采取減小樓面梁的截面高度或梁端按鉸處理。

3.2 剪力墻結(jié)構(gòu)豎向布置

（1）剪力墻的抗側(cè)剛度大，如果在某層或幾層切斷剪力墻，易造成結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度突變，應(yīng)力集中，形成結(jié)構(gòu)的軟弱層或薄弱層。因此，剪力墻沿豎向宜均勻、連續(xù)，避免剛度突變，結(jié)構(gòu)承載力和剛度宜自下而上逐漸減小。

（2）為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，避免應(yīng)力集中，方便施工，改善結(jié)構(gòu)受力情況，剪力墻洞口宜上下對(duì)齊、成列布置，形成明確的墻肢和連梁；避免造成墻肢寬度相差懸殊的設(shè)置；抗震設(shè)計(jì)時(shí)，一、二、三級(jí)剪力墻的底部加強(qiáng)部位不宜采用上下洞口不對(duì)齊的錯(cuò)洞墻，全高均不宜采用洞口局部重疊的疊合錯(cuò)洞墻。當(dāng)無法避免疊合錯(cuò)洞布置時(shí)，應(yīng)按有限元方法計(jì)算分析，并在洞口周邊采取加強(qiáng)措施，或在洞口不規(guī)則部位采用其他輕質(zhì)材料填充，將疊合洞口轉(zhuǎn)化為規(guī)則洞口，解決應(yīng)力復(fù)雜問題。

（3）剪力墻墻厚和混凝土強(qiáng)度等級(jí)沿豎向應(yīng)逐漸減小，要避免兩者在同一樓層改變，墻肢長(zhǎng)度不宜突變。當(dāng)相鄰構(gòu)件尺寸變化較大時(shí)，應(yīng)設(shè)過度截面。當(dāng)結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)區(qū)與非加強(qiáng)區(qū)之間剪力墻截面、混凝土強(qiáng)度、配筋相差較大時(shí)，宜設(shè)1～2個(gè)過渡層。

3.3 剪力墻結(jié)構(gòu)布置的合理性

剪力墻的平面、豎向布置除了概念設(shè)計(jì)外，在設(shè)計(jì)中主要由以下幾個(gè)控制參數(shù)來判斷合理性：位移比、周期比、軸壓比、剪重比、剛度比、層間受剪承載力比、剛重比、傾覆力距比、樓層最大位移與層高比。一般布置合理的結(jié)構(gòu)均能滿足規(guī)范對(duì)以上參數(shù)的限值。

4 短肢剪力墻的設(shè)計(jì)

短肢剪力墻是指截面厚度不大于300mm時(shí)，各肢截面高度與厚度之比的最大值大于4但不大于8的剪力墻；具有較多短肢剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)指：在規(guī)定的水平地震作用下，短肢剪力墻承擔(dān)的底部?jī)A覆力矩不小于結(jié)構(gòu)底部總地震傾覆力矩的30%的剪力墻結(jié)構(gòu)。在一般的多層、小高層、中高層建筑中由于房屋高度低，水平作用和豎向荷載小，剪力墻的厚度較小，剪力墻開大洞，常會(huì)形成短肢剪力墻[3]。由于短肢剪力墻沿建筑高度可能有較多樓層出現(xiàn)反彎點(diǎn)，受力特點(diǎn)接近異形柱，又承擔(dān)較大的軸力和剪力，其抗震性能差。在剪力墻結(jié)構(gòu)平面布置時(shí)應(yīng)注意，配合其他專業(yè)盡量避免短肢剪力墻的出現(xiàn)。在抗震設(shè)防烈度為7～8的具有較多短肢剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)中，房屋適用高度要滿足比A級(jí)高度的普通剪力墻結(jié)構(gòu)低約20%，且在規(guī)定的水平地震作用下，短肢剪力墻承擔(dān)的底部?jī)A覆力矩不大于結(jié)構(gòu)底部總地震傾覆力矩的50%的要求。在B級(jí)高度高層建筑和抗震設(shè)防烈度為9度的A級(jí)高層建筑中不宜布置短肢剪力墻，不應(yīng)采用具有較多短肢剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)。同時(shí)短肢剪力墻要滿足比普通剪力墻更為嚴(yán)格的軸壓比限制要求。

5 結(jié)束語

高層建筑的復(fù)雜性給結(jié)構(gòu)工程師提出新的挑戰(zhàn)，要求結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計(jì)技術(shù)不斷地向前發(fā)展，同時(shí)要求結(jié)構(gòu)工程師提前進(jìn)入方案設(shè)計(jì)階段，從建筑的平面、立面著手，努力配合尋求出建筑結(jié)構(gòu)比較合理的構(gòu)成，從而推動(dòng)建筑科學(xué)不斷向前發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]徐建.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常見及疑難問題解析（第二版）[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014：768.

[2]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011-2010[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010：366.

[3]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ3-2010[J].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010，（3）：29-30.