淺談高層建筑剪力墻結構設計

張揚

摘 要：本文就高層住宅剪力墻結構設計的結構設計分析、設計注意問題、結構細部的構造措施及施工注意事項等問題進行了分析探討，具有較強的意義和價值，供借鑒參考。

關鍵詞：高層住宅；剪力墻結構；設計；構造；施工；結構細部

一、引言

多年來剪力墻結構在住宅、公寓和旅館應用非常廣泛，其優(yōu)點是剛度大，整體性好，在水平力作用下位移小，這種結構的豎向承重構件主要由鋼筋混凝土墻體來承擔，這種墻體有較強的抵抗風和地震作用傳來的水平力（剪力）的能力，因而有更好的抗側力能力，可建造層數(shù)較多的建筑。隨著市場競爭的日益激烈，原材料的上漲，經(jīng)濟性的要求也在不斷的加強，如果剪力墻布置不合理，它的缺點就暴露出來：（1）由于剪力墻結構抗側力剛度較大，使得其結構自振周期變短，引起較大地震反應；從而上部結構配筋相應增加，這增加了造價；（2）由于鋼筋混凝土墻體較多，使得建筑物自重增加，增加了基礎的費用。上部墻體均為雙層雙向配筋，增加了鋼筋用量；（3）墻體間距的限制，空間靈活性較差；（4）由于墻肢較長，墻肢軸壓力很小，無法充分發(fā)揮墻肢的承載能力；（5）剪力墻墻體多為構造配筋，配筋率較低，使得鋼筋材料利用率很低。所以設計中應該合理布置墻肢，減少或避免上述問題的產(chǎn)生。

二、結構設計分析

1.剪力墻結構剛度大，整體性好，用鋼量較省。在高層住宅中，開間均較小，分隔墻較多，合理布置剪力墻是關鍵。另外，剪力墻外觀整齊，沒有露梁、露柱現(xiàn)象，便于室內(nèi)布置因此，在高層住宅中常采用現(xiàn)澆剪力墻結構。

2.剪力墻結構設計中應注意的問題，剪力墻結構的抗側剛度大，結構周期短，地震響應大；剪力墻結構墻體越多，建筑物的重量越大，地震反應也大，會造成浪費；另外，剪力墻結構墻體多為構造配筋，如果配筋率太低，則結構延性差。

3.結構位移的控制最大層間位移角（應≤1/1000）、最大水平位移與層平均位移的比值（不宜大于 1.2，不應大于 1.5）及最大層間位移與平均層間位移的比值（不宜大于 1.2，不應大于1.5）。結構在風荷載和地震作用下的位移均能很好地滿足規(guī)范限值。

4.剪重比控制，剪重比是反映結構承受地震作用大小的重要指標之一。

三、設置角窗對高層剪力墻結構整體效應的影響

高層剪力墻角部是結構的關鍵部位，一般應設L形剪力墻，而在角部設置角窗會對結構整體效應變化造成較大的影響。此外，通過分析轉角窗處的桿件內(nèi)力特點，我們發(fā)現(xiàn)外墻內(nèi)力明顯增大，相鄰各構件扭轉效應明顯，特別是洞口處的連梁所受扭矩較大，設計時應加強轉角處外墻等構件的剛度和配筋。轉角開洞對高層結構轉角處樓板的影響也較大，其原因主要是樓板角部無豎向構件（如柱或墻肢）的可靠約束，僅有角窗上過梁作為水平向約束，而該約束又是懸臂構件，對樓板約束較弱。當樓板因形心與剛心偏離產(chǎn)生扭矩時，角部樓板會因扭轉應力集中而產(chǎn)生較大變形，致樓板開裂，嚴重時甚至影響使用功能。加上角窗位于房屋端部，在夏季炎熱的南方地區(qū)，或在冬季室內(nèi)外溫差較大的北方地區(qū)，結構本身較易產(chǎn)生裂縫，故必須選用合理的計算模型，并采取特殊措施加強轉角窗處的結構設計和構造措施，角窗處樓板加厚，配筋加強。

結構角部構件計算及構造措施計算分析目前高層結構的計算分析一般采用中國建研院的 TAT、SATWE、TBSA 軟件，但對不落地窗結構，如按普通剪力墻做法，即先在平面周邊布墻再在拐角處開洞，將過梁看作連梁，則表面上似乎嚴格按實際情況輸入程序計算，但由于程序本身的缺陷，使拐角處自動產(chǎn)生 1 個小于 150mm 的短肢剪力墻，且必須觀察立面模型才可能發(fā)現(xiàn)，故較易疏忽。該小墻肢作為角窗挑梁自由端的一個支點，與實際情況不符，加上由于該構件過小且超筋，結構一受力即產(chǎn)生破壞而給整體計算帶來麻煩，這是不可取的。因此，對轉角窗上連梁應按普通股框架梁考慮，梁高按實際輸入，不落地窗處和落地窗處分別約為 1400，500mm，這種計算模型與實際受力情況相吻合。

該過梁兩個方向均為懸挑構件，梁截面相同，當兩個方向懸挑長度不同時，應將長跨作為次梁，短跨作為主梁，形成主次關系，兩個方向懸挑長度相差不大時，長跨仍有可能懸臂受力，在端部也可認為互為鉸接關系。角窗上連梁參與空間協(xié)同計算，對其結果應進行復核。對該處連梁上筋應按懸挑梁進行配筋，同時由于該處連梁互為支座，梁下部應配置一定數(shù)量的底筋。因該處連梁在整體作用時內(nèi)力可能存在調(diào)幅，使梁彎矩按塑性調(diào)幅連續(xù)梁邊跨跨中彎矩，增加懸臂梁底筋對結構剛度有利。

四、設計中需注意的幾個問題

1.在運用軟件進行計算機輔助設計時，應根據(jù)實際情況調(diào)整軟件的各項參數(shù)及簡化模型，使其最大限度地反映實際工程的情況，盡可能地使其計算結果與實際模型相一致。了解各參數(shù)的實際意義，合理設置各參數(shù)。對于整體性系數(shù)較大的短肢墻，應盡可能使其肢強系數(shù)小，這樣的結構在水平反復荷載作用下耗能能力強；2.工程設計不能盲目依賴計算機的計算結果，更不能因某一部分的計算結果有誤差就全盤否定計算軟件，只有在實踐中逐步了解軟件并在工作中避免其產(chǎn)生誤差，這樣才能使我們的設計更安全，更合理；3.要充分利用梁、墻等構件可任意偏心布置的特點，盡可能避免近距離的軸線和節(jié)點，提高計算精度。如節(jié)點距離過近，可能會引起后面計算出錯，同時應注意構件偏心布置時偏心不能太大，尤其不能跨節(jié)點或軸線；4.SAT-WE 程序中，在各種抗震等級下，墻的內(nèi)力放大系數(shù)均是隱含值，但作為設計者，應清楚這些系數(shù)的取值；5.合理確定連梁和墻肢的強度，要確保連梁的屈服先于墻肢的屈服。和框架結構一樣，短肢剪力墻的設計也要遵循強肢弱梁、強剪繼彎的原則；6.對由軟件計算的結構進行合理分析與判斷；7.在進行短肢剪墻結構整體設計時，必須要重視概念設計，使房屋各項指標都滿足“抗震規(guī)范”及“高層建筑混凝土結構技術規(guī)程”的要求。

五、結構細部的構造措施

由于地震動荷載的隨機運動存在不確定性，因此在抗震設計中采用概念設計，即有意識、有目的地控制薄弱層（部位）使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發(fā)生破壞，這是提高結構總體抗震性能的有效手段。高層建筑短肢剪力墻結構振動臺試驗研究中，振動臺模擬地震試驗結果表明：建筑平面外邊緣及角點處的墻肢，底部外圍的小墻肢，連梁等是短肢剪力墻結構的抗震薄弱環(huán)節(jié)。在地震力作用下，高層短肢剪力墻結構將以整體彎曲變形為主，底部外圍的小墻肢，截面面積小且承受較大的豎向荷載$破壞嚴重$當有扭轉效應時，會加劇已有的翹曲變形，建筑平面外邊緣及角點處的墻肢會首先開裂，尤其“一”字形小墻肢破壞最嚴重。

六、施工中應注意的問題

1.由于混凝土墻肢與輕質(zhì)隔墻材質(zhì)不同，在住宅室內(nèi)裝修以及使用階段易產(chǎn)生裂紋，應采用相應的建筑處理措施；2.由于墻體模板不貫通，可能產(chǎn)生混凝土澆注過程中的位移，應注意模板驗線以及支撐檢驗；3.電路管線在混凝土墻肢與填充墻之間預留位置易產(chǎn)生偏移，應重點核查。

參考文獻：

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