高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)問(wèn)題及處理措施

劉天水

【摘 要】隨著人類社會(huì)的進(jìn)步，為了滿足現(xiàn)代居民對(duì)建筑強(qiáng)度的需求，如今越來(lái)越多的高層住宅的結(jié)構(gòu)形式采用剪力墻結(jié)構(gòu)，這也對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員解決高層剪力墻設(shè)計(jì)中種種問(wèn)題的能力提出了新的挑戰(zhàn)。論文分析了高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)常見(jiàn)的幾點(diǎn)問(wèn)題，并給出了常用的處理措施。

【Abstract】With the progress of human society， in order to meet the needs of modern residents on the strength of construction， more and more high-rise residential buildings adopt shear wall structure， which also challenges the ability of structural designers to solve various problems in the design of high-rise shear walls. This paper analyzes some common problems in the design of high - rise shear wall structure， and gives some common treatment measures.

【關(guān)鍵詞】剪力墻；連梁超筋；處理措施

【Keywords】 shear wall； over-reinforced coupling beam； treatment measures

【中圖分類號(hào)】TU973.16 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）08-0194-03

1 引言

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，近年來(lái)以剪力墻的形式居多，而新修改的規(guī)范也提出了更加嚴(yán)格的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，解決高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)遇到的問(wèn)題也成了設(shè)計(jì)者的基本能力要求之一。本文僅對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)的普遍問(wèn)題提出一些解決辦法。

2 剪力墻長(zhǎng)度和厚度的選取

2.1 剪力墻長(zhǎng)度的選取

普通的剪力墻長(zhǎng)度應(yīng)在8m以下[1]。當(dāng)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度較長(zhǎng)的墻體時(shí)，可以在墻上均勻的開(kāi)設(shè)洞口，使長(zhǎng)墻變?yōu)槎绦蚍Q的聯(lián)肢墻，這樣可以剪力墻避免彎曲破壞，保證墻的延性，開(kāi)設(shè)洞口的墻段一般以2為最小高寬比；剪力墻洞口處的連梁推薦使用跨高比不小于6的弱連梁，這種連梁的梁端約束彎矩比較小，可以將剪力墻當(dāng)做獨(dú)立墻段來(lái)計(jì)算。

2.2 剪力墻厚度的選取

設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，一般會(huì)限制墻肢最小厚度，是為了防止剪力墻失穩(wěn)破壞和平面外剛度不足等情況發(fā)生。剪力墻厚度的選取受抗震等級(jí)、剪力墻部位、有無(wú)端柱的條件影響，具體厚度參考表1。

一般住宅建筑，受建筑墻厚的限制，剪力墻厚度一般會(huì)不大于250mm。對(duì)于普通住宅，建筑層高一般不大于3m，填充墻厚度一般為200mm，因此上層剪力墻厚度取200mm能滿足規(guī)范規(guī)定的一、二級(jí)抗震時(shí)墻厚大于層高1/20、底部加強(qiáng)區(qū)墻厚大于層高的1/16的要求。需注意一字型獨(dú)立剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)墻厚不宜小于220mm，且不宜采用一字型短肢剪力墻，對(duì)于短肢剪力墻，參考表1選取剪力墻厚度時(shí)需將結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)提高一級(jí)選用。對(duì)于底層層高較高或無(wú)地下室的剪力墻結(jié)構(gòu)，需注意盡量不要采用一字型墻體，避免墻體過(guò)厚影響建筑使用功能。由于一字型墻體缺少平面外約束，抗震性能較差，規(guī)范對(duì)一字型墻的軸壓比、墻體厚度均作出了較嚴(yán)格的要求，因此建議采用有效翼墻的剪力墻，如L形、T形、Z字形及十字形剪力墻。

3 對(duì)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)影響的處理

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]與《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]均對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移比-即樓層的最大彈性水平位移（或?qū)娱g位移）與該樓層兩端的彈性水平位移的比值，提出了限制要求，當(dāng)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移比超限時(shí)，一般有兩種調(diào)整方法。一是找出該樓層梁端節(jié)點(diǎn)位移最大的點(diǎn)，并通過(guò)增加豎向構(gòu)件截面、增大梁高等方式局部加強(qiáng)該點(diǎn)的抗側(cè)剛度，或減小對(duì)稱部位的抗側(cè)剛度，通過(guò)局部調(diào)整使結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比滿足規(guī)范要求；二是當(dāng)樓層的層間位移角相對(duì)于規(guī)范限制值（剪力墻結(jié)構(gòu)為1/1000）有較大富余量時(shí)，可采取弱化內(nèi)部剛度加強(qiáng)外圍剛度的辦法，通過(guò)盡量加大周邊剪力墻，建筑條件允許的情況下加大外圈梁的高度和削弱內(nèi)部剪力墻的辦法，從整體上增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)能力。

4 對(duì)角窗的處理

高層建筑的角部在地震中是最薄弱的部位，也是建筑經(jīng)常采用的一種建筑形式，當(dāng)高層建筑的角部設(shè)置角窗時(shí)可采取以下措施保證結(jié)構(gòu)的抗震性能。一是限制角窗部位剪力墻的厚度，在底部加強(qiáng)部位不小于層高的1/12，其余部位不小于層高的1/15，且不小180mm，墻端暗柱縱向鋼筋要適當(dāng)加強(qiáng)；二是當(dāng)角部為挑陽(yáng)臺(tái)沿且陽(yáng)臺(tái)外緣設(shè)幕墻不允許結(jié)構(gòu)如同角窗那樣設(shè)置梁時(shí)，可在兩端剪力墻處設(shè)置不小于1m的暗梁，因?yàn)榘盗菏芎擅娣e較大，因此樓板厚度需做厚一些。

5 連梁超限問(wèn)題的處理

連梁超限問(wèn)題在剪力墻中是很常見(jiàn)的，尤其是在高烈度區(qū)，經(jīng)常會(huì)遇到連梁超限的情況。地震工況下除了豎向荷載產(chǎn)生的內(nèi)力外，連梁內(nèi)力產(chǎn)生內(nèi)力的原因一般有兩種，一是連梁兩端豎向構(gòu)件變形不一致使連梁產(chǎn)生的相對(duì)位移；二是連梁兩端豎向構(gòu)件彎曲變形使連梁產(chǎn)生轉(zhuǎn)角。而連梁超限的原因一般有兩種，第一種是受彎超限，具體表現(xiàn)為連梁縱向受拉鋼筋配筋率超過(guò)2.5%，或梁端混凝土受壓區(qū)高度和有效高度之比大于規(guī)范限制，連梁受彎超限一般也可以通過(guò)調(diào)整連梁截面尺寸或計(jì)入受壓區(qū)鋼筋貢獻(xiàn)來(lái)解決，這類超限一般是比較好解決的；第二種是連梁不滿足減壓比控制要求，此時(shí)連梁的破壞形式為斜壓破壞，脆性特征明顯，需妥善處理，根據(jù)規(guī)范建議結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，一般有效的解決方法有以下幾種：

5.1 連梁剛度折減endprint

這是規(guī)范推薦也是工程中常用的方法，通過(guò)折減連梁的剛度，使連梁在地震工況下先于墻肢屈服，在連梁能夠承受恒、活荷載及風(fēng)荷載作用的前提下，允許連梁適當(dāng)開(kāi)裂讓內(nèi)力轉(zhuǎn)移到墻肢上，從而控制其實(shí)際彎矩及剪力值。為了保證連梁正常使用狀態(tài)下的工作性能，控制裂縫不要開(kāi)展過(guò)大，連梁折減系數(shù)不要取得太小，設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)建筑的抗震設(shè)防烈度的高低確定連梁的剛度折減系數(shù)，連梁折減系數(shù)不宜小于0.5。

5.2 增大連梁跨高比

通過(guò)減小連梁高度或增大連梁跨度可以增大連梁的跨高比，從而減小連梁的線剛度，使之承擔(dān)的地震剪力減小，使連梁的受剪承載力滿足規(guī)范要求。

5.3 增大連梁寬度

增大連梁寬度可以使連梁的抗剪承載力線性增加，同時(shí)連梁吸收的地震力隨連梁寬的增加的不多，從而使平均剪應(yīng)力降低，滿足規(guī)范要求。但這種方法往往需要在連梁兩端加設(shè)端柱或墻垛，因此需要與建筑專業(yè)溝通后方可采用。

5.4 提高連梁混凝土等級(jí)

提高連梁混凝土等級(jí)可以在不增大連梁地震剪力的情況下提高連梁的抗剪承載力，但是不是很經(jīng)濟(jì)，這種方法通常在本層多數(shù)連梁均超限且超過(guò)規(guī)范要求數(shù)值不大的情況采用。

5.5 設(shè)雙縫連梁

通過(guò)在連梁中間設(shè)縫可以在不減小連梁抗剪總截面的情況下將一根連梁拆分為兩個(gè)跨高比較大的連梁，使連梁從剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢茐?，設(shè)縫連梁對(duì)降低單連梁的剪力和彎矩有明顯作用。

5.6 根據(jù)連梁減壓比條件設(shè)計(jì)連梁

當(dāng)連梁彎曲裂縫對(duì)連梁的正常使用沒(méi)有很大影響且超限連梁數(shù)量不多時(shí)，也可按連梁的減壓比條件控制連梁的配筋[4]。首先按照連梁跨高比大于2.5和跨高比小于2.5時(shí)，連梁的減壓比和抗剪承載力要求，推算出極限減壓比條件下滿足最大剪力設(shè)計(jì)值的連梁箍筋面積。由于連梁剪力與彎矩呈導(dǎo)數(shù)關(guān)系，當(dāng)?shù)卣鸸r下，梁端剪力達(dá)到最大剪力設(shè)計(jì)值時(shí)，此時(shí)的梁端彎矩也是確定的，因此可以根據(jù)最大剪力設(shè)計(jì)值推算出連梁達(dá)到抗剪極限時(shí)的連梁彎矩。根據(jù)此彎矩得出的連梁縱筋配筋面積為連梁縱筋配筋面積的上限?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》11.3.6最小配筋率計(jì)算得到的配筋面積為連梁配筋面積的下限。如此，可以保證連梁的縱筋先于連梁的箍筋屈服，連梁受彎破壞，破壞形式為延性破壞，滿足強(qiáng)剪弱彎的設(shè)計(jì)要求。當(dāng)?shù)卣饋?lái)臨時(shí)，連梁吸收地震力并產(chǎn)生塑性鉸，多余的地震力由墻肢承擔(dān)，此時(shí)，連梁仍對(duì)墻肢有部分約束作用。需注意，用這種方法調(diào)整連梁配筋，需對(duì)與其相鄰的上下層連梁及周邊墻肢的地震力進(jìn)行放大，適當(dāng)加強(qiáng)上下層連梁及周邊墻肢的配筋。

6 約束邊緣構(gòu)件箍筋的設(shè)置

剪力墻的約束邊緣構(gòu)件分為陰影區(qū)和非陰影區(qū)，對(duì)于陰影區(qū)部分的縱筋、箍筋構(gòu)造值規(guī)范做出了較明確的要求，需注意約束邊緣構(gòu)件按墻端暗柱計(jì)算得出的縱筋計(jì)算配筋面積大于構(gòu)造配筋面積時(shí)，縱筋需按計(jì)算配筋面積配置，當(dāng)剪力墻的某段墻肢全部為邊緣構(gòu)件時(shí)，還需注意此處邊緣構(gòu)件箍筋需按墻體水平筋計(jì)算值和邊緣構(gòu)件計(jì)算值取包絡(luò)設(shè)計(jì)。對(duì)于非陰影區(qū)，規(guī)范要求非陰影區(qū)的體積配箍率不小于陰影區(qū)計(jì)算值的一半，當(dāng)陰影與非陰影區(qū)縱筋間距相等時(shí)，可讓非陰影的拉筋水平間距與陰影區(qū)相同的情況下，拉筋及箍筋的垂直間距采用陰影區(qū)的一倍；陰影區(qū)縱筋間距較小時(shí)，非陰影區(qū)拉筋及箍筋垂直間距與陰影區(qū)相同。

7 結(jié)論

本文分析了高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，墻肢的長(zhǎng)度及厚度的初步選取范圍，墻肢長(zhǎng)度不宜大于8m且墻段高寬比應(yīng)大于2，抗震設(shè)計(jì)時(shí)厚度可取180～200mm左右；對(duì)于扭轉(zhuǎn)周期比超限的剪力墻結(jié)構(gòu)，可采取調(diào)整洞口尺寸、墻肢厚度等方法進(jìn)行局部剛度調(diào)整，也可以從整體上增加外圈結(jié)構(gòu)剛度減小內(nèi)部結(jié)構(gòu)剛度，調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度分布；對(duì)于有角窗的剪力墻結(jié)構(gòu)，可在保證角窗處墻肢厚度的情況下，通過(guò)增大墻端暗柱配筋、增加暗梁、加厚樓板厚度等方式確保結(jié)構(gòu)的安全性；對(duì)于抗剪超限的連梁，可以采用連梁剛度折減、增大連梁跨高比、增大連梁寬度、提高連梁混凝土等級(jí)、連梁中間設(shè)縫、根據(jù)減壓比條件反算連梁配筋六種方式進(jìn)行調(diào)整；總結(jié)了約束邊緣構(gòu)件配筋時(shí)需要注意的一些問(wèn)題。

隨著建筑科技時(shí)代的到來(lái)，高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)種類日益增多，在針對(duì)不同的工程進(jìn)行具體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按照項(xiàng)目特征，通過(guò)計(jì)算處理剪力墻的受力狀態(tài)及破壞形態(tài)，綜合考慮以便保證結(jié)構(gòu)的安全性。充分了解并系統(tǒng)熟悉建筑規(guī)范，具備完善的結(jié)構(gòu)思維，才會(huì)使設(shè)計(jì)結(jié)果在滿足安全和經(jīng)濟(jì)適用的基礎(chǔ)上，達(dá)到更高的水準(zhǔn)。

【參考文獻(xiàn)】

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