剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

毛瑞智

剪力墻結(jié)構(gòu)比較適合用于高層住宅結(jié)構(gòu)。當(dāng)今重點(diǎn)城市的房?jī)r(jià)較高，城市中很多家庭為了一套住宅而拼上多年的血汗錢(qián)。開(kāi)發(fā)商進(jìn)行商業(yè)開(kāi)發(fā)，追求的是利潤(rùn)。作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師我們不但要確保結(jié)構(gòu)的安全又要嚴(yán)格控制造價(jià)。這其中有很多問(wèn)題要探討，比如說(shuō)剪力墻如何布置，結(jié)構(gòu)布置時(shí)要注意處理好哪些問(wèn)題，對(duì)于計(jì)算結(jié)果如何判斷，如何配筋既滿足規(guī)范要求又能保證安全。

現(xiàn)在開(kāi)發(fā)的高層住宅用的較多的層數(shù)是9層，11層，18層，26層，33層，這是根據(jù)建筑防火安全的需要和住宅小區(qū)的定位確定的。建筑高度變化范圍很大。但每一個(gè)建筑都要有必要的剛度，隨著剪力墻住宅高度的增加，布置的剪力墻的數(shù)量和長(zhǎng)度要增多。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)，基本上9層和11層的剪力墻結(jié)構(gòu)住宅，一般隔一個(gè)開(kāi)間布置一個(gè)剪力墻構(gòu)件，18層左右的剪力墻結(jié)構(gòu)住宅，一般應(yīng)部分區(qū)域隔一個(gè)開(kāi)間布置一個(gè)剪力墻構(gòu)件，26層和33層左右的住宅剪力墻結(jié)構(gòu)，一般每個(gè)開(kāi)間都要布置剪力墻構(gòu)件。這樣設(shè)計(jì)的原因是：各等級(jí)的剪力墻的軸壓比有限值，結(jié)構(gòu)層數(shù)越多，豎向荷載就越大。不論結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度是多少，都應(yīng)該滿足軸壓比的要求。剪力墻構(gòu)件的軸壓比是影響剪力墻在水平地震作用荷載作用下延性（塑性變形能力）的重要因素，清華大學(xué)及國(guó)內(nèi)外研究單位的試驗(yàn)表明：相同條件的剪力墻，軸壓比越小，延性越大，軸壓比越大，延性越小。通過(guò)在結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)區(qū)設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，可以提高剪力墻結(jié)構(gòu)底部高軸壓比剪力墻的延性性能，在超過(guò)設(shè)防烈度的強(qiáng)震作用下，剪力墻底部墻端會(huì)因混凝土壓潰，產(chǎn)生較大的變形，而喪失承受重力荷載的能力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌。因此，必須按照規(guī)范要求，控制剪力墻構(gòu)件的軸壓比?，F(xiàn)行高規(guī)對(duì)四級(jí)剪力墻構(gòu)件的軸壓比限值沒(méi)有規(guī)定，但是，誰(shuí)都不會(huì)保證按四級(jí)設(shè)計(jì)的剪力墻構(gòu)件不會(huì)遭遇強(qiáng)震，所以，對(duì)于對(duì)四級(jí)剪力墻構(gòu)件的軸壓比也要嚴(yán)格要求。

具體設(shè)計(jì)時(shí)可按照上段中說(shuō)的剪力墻數(shù)量，初步計(jì)算時(shí)長(zhǎng)度滿足8倍墻厚的要求，大概布置一下剪力墻，根據(jù)剪力墻構(gòu)件底部的軸壓比調(diào)整剪力墻構(gòu)件的長(zhǎng)度。調(diào)整剪力墻長(zhǎng)度時(shí)要注意看一下結(jié)構(gòu)的位移和周期，還要看剪力墻的翼緣布置情況，一般情況下，承受荷載面積大的剪力墻，剪力墻構(gòu)件的長(zhǎng)度要做大，長(zhǎng)度大的墻承受地震水平作用也大，這種較長(zhǎng)剪力墻兩端最好帶有翼緣，設(shè)置翼緣的剪力墻構(gòu)件延性大，有利于強(qiáng)震下結(jié)構(gòu)整體的安全。剪力墻住宅結(jié)構(gòu)中布置的剪力墻構(gòu)件較多時(shí)，結(jié)構(gòu)整體的質(zhì)量和剛度都會(huì)增大，結(jié)構(gòu)所受的地震作用就會(huì)增大，會(huì)增加結(jié)構(gòu)的造價(jià)。所以調(diào)整剪力墻的長(zhǎng)度時(shí)要根據(jù)軸壓比逐步加長(zhǎng)剪力墻構(gòu)件的長(zhǎng)度。當(dāng)各個(gè)剪力墻構(gòu)件的軸壓比都滿足要求了。再根據(jù)位移和周期的情況調(diào)整建筑周邊剪力墻構(gòu)件的布置。根據(jù)高規(guī)7.2.10條的公式，剪力墻截面軸向壓力設(shè)計(jì)值對(duì)于剪力墻的抗剪是有利的。質(zhì)量分布大的地方，地震作用也大，需要布置剪力墻較長(zhǎng)。所以，先調(diào)整軸壓比的思路符合剪力墻構(gòu)件承載力的規(guī)律?？梢员ＷC剪力墻的合理布置。

高層建筑層數(shù)多，高度大，為保證高層建筑結(jié)構(gòu)具有必要的剛度，達(dá)到抗震規(guī)范“小震不壞”的要求，應(yīng)對(duì)其樓層層間位移加以控制。在風(fēng)荷載和小震作用下限制高層建筑結(jié)構(gòu)層間位移的主要目的有兩點(diǎn)：①保證主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性受力狀態(tài)，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)講，就是要避免剪力墻和柱出現(xiàn)裂縫；同時(shí)將混凝土梁等樓面構(gòu)件的裂縫數(shù)量、寬度和高度限制在規(guī)范允許范圍之內(nèi)；②保證填充墻、隔墻和幕墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件完好，避免產(chǎn)生明顯損傷。通過(guò)調(diào)整所有的剪力墻的軸壓比滿足規(guī)范要求，使得結(jié)構(gòu)的剛度中心和質(zhì)量中心基本重合，這時(shí)候再調(diào)整建筑周邊的剪力墻，增大結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度，就比較容易使得結(jié)構(gòu)層間位移角以及樓層最大位移和平均位移的比值滿足規(guī)范要求。在調(diào)整的過(guò)程中要注意以下幾點(diǎn)：剪力墻的側(cè)向剛度由墻肢和連梁尺寸決定，對(duì)于住宅來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)做凸窗的部位，連梁上翻，可以增大連梁的截面，從而增大剪力墻的側(cè)向剛度。根據(jù)高層混凝土規(guī)范的規(guī)定，高層建筑結(jié)構(gòu)是按彈性階段進(jìn)行設(shè)計(jì)的，地震按小震考慮，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度采用彈性階段的剛度；內(nèi)力和位移分析不考慮彈塑性變形，計(jì)算位移和周期時(shí)連梁剛度不能折減。剪力墻的側(cè)向剛度和墻長(zhǎng)的三次方成正比，所以剪力墻的長(zhǎng)度對(duì)于增強(qiáng)剪力墻的抗側(cè)剛度有很大影響，但剪力墻又不宜過(guò)長(zhǎng)，較長(zhǎng)的剪力墻宜設(shè)置跨高比較大于2.5的連梁將其分成長(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，每個(gè)墻段長(zhǎng)度不宜大于8m。抗震設(shè)計(jì)的雙肢剪力墻，剪力墻開(kāi)洞宜設(shè)在中部，避免墻肢出現(xiàn)小偏心受拉。

以上是剪力墻設(shè)計(jì)的基本過(guò)程，遵循了使結(jié)構(gòu)由弱變強(qiáng)，逐漸增大結(jié)構(gòu)的剛度的設(shè)計(jì)思路，這樣做出來(lái)的剪力墻結(jié)構(gòu)剛度富余度不大，含鋼量小，可以取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。與這個(gè)思路相悖的現(xiàn)象是：剪力墻布置的很多，剛度中心和荷載中心不重合，軸壓比大小不均勻。結(jié)構(gòu)既不安全也不經(jīng)濟(jì)。當(dāng)然要想做好剪力墻結(jié)構(gòu)還有幾個(gè)問(wèn)題要處理好。

短肢剪力墻的構(gòu)造配筋量大，受力性能不好，調(diào)整模型時(shí)，應(yīng)盡量不用短肢剪力墻，如果用了短肢剪力墻，也要盡量減少其數(shù)量，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)底部總傾覆地震力矩的30%。

剪力墻結(jié)構(gòu)伸縮縫的設(shè)置問(wèn)題，總的來(lái)說(shuō)是，9層和11層的小高層可以適當(dāng)放寬伸縮縫的間距，18層及以上的剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)從嚴(yán)控制。這是因?yàn)樾「邔拥募袅?shù)量少，剪力墻對(duì)樓板的約束作用小，而其他住宅剪力墻結(jié)構(gòu)的剪力墻數(shù)量較多，應(yīng)按照規(guī)范的要求，該設(shè)置伸縮縫的要設(shè)置。以免樓板因?yàn)闇夭睿ㄔ缙谒療嵋曰蚴褂闷诩竟?jié)溫差）和體積變化（施工期或使用早期的混凝土收縮）等間接作用效應(yīng)積累的影響，引起較大的約束應(yīng)力和開(kāi)裂。另一方面，設(shè)置伸縮縫之后，結(jié)構(gòu)單元變短，結(jié)構(gòu)就不需要設(shè)置很多剪力墻來(lái)調(diào)整結(jié)構(gòu)的樓層最大位移和樓層平均位移的比值。建筑越高，地震水平作用就越大，所以這樣做對(duì)于較高的剪力墻結(jié)構(gòu)尤其有利。

在做剪力墻模型時(shí)，把結(jié)構(gòu)的軸壓比，位移和周期調(diào)整好了后，當(dāng)水平地震作用較大時(shí)，會(huì)有很多剪力墻連梁的截面不足，這時(shí)候可以對(duì)連梁剛度進(jìn)行折減。連梁剛度調(diào)幅后的彎矩、剪力設(shè)計(jì)值不應(yīng)低于正常使用狀況下的內(nèi)力值，也不應(yīng)低于比設(shè)防烈度低一度的地震作用組合所得的彎矩和剪力設(shè)計(jì)值。這樣就能避免在正常使用條件下或較小的地震作用下在連梁上出現(xiàn)裂縫。樓面梁不宜支撐在剪力墻的連梁上，在剪力墻結(jié)構(gòu)遭遇地震作用時(shí)，剪力墻的連梁最先出現(xiàn)裂縫，對(duì)樓面結(jié)構(gòu)受力很不利。當(dāng)結(jié)構(gòu)地震作用較大時(shí)，即使對(duì)連梁的剛度進(jìn)行了折減，還會(huì)有一些連梁的截面不足，有的說(shuō)，這種情況可以不管，我覺(jué)得不管不合適，因?yàn)橹灰敢庹{(diào)整，還是會(huì)找到辦法的，可以加厚剪力墻，連梁寬度就可以加大。連梁截面可以加高等辦法都可以用。調(diào)整模型要有耐心，如果連梁剛度都折減了，連梁截面要求還不達(dá)標(biāo)的話，就和規(guī)范強(qiáng)剪弱彎的要求不符。

住宅剪力墻結(jié)構(gòu)里面因?yàn)榻ㄖ指羁臻g的需要，有時(shí)候會(huì)在剪力墻平面外設(shè)置樓面梁，規(guī)范上給了兩種做法：①沿樓面梁軸線方向設(shè)置與梁相連的剪力墻和扶壁柱；②在墻內(nèi)設(shè)置暗柱。前者應(yīng)用于樓面梁跨度較大時(shí)，而且樓面梁跨度越大，相應(yīng)設(shè)置的剪力墻肢要長(zhǎng)一點(diǎn)，這樣容易平衡樓面梁的彎矩。特別要避免在剪力墻端部設(shè)置暗柱，暗柱平面外再單面設(shè)置樓面梁的情況，這樣做受力非常不好。較小跨度的樓面梁與剪力墻平面外相連，在暗柱中要配置鋼筋，平衡樓面梁的彎矩，此時(shí)可以根據(jù)梁墻節(jié)點(diǎn)彎矩平衡的關(guān)系來(lái)計(jì)算暗柱內(nèi)的配筋，單面相接的樓面梁可按梁配筋算出梁截面極限彎矩。這個(gè)彎矩在中間樓層由兩個(gè)墻暗柱截面來(lái)平衡，在頂層由一個(gè)暗柱截面來(lái)平衡。

在剪力墻底部加強(qiáng)部位范圍內(nèi)，根據(jù)規(guī)范要求設(shè)置約束邊緣構(gòu)件或構(gòu)造邊緣構(gòu)件，增強(qiáng)剪力墻結(jié)構(gòu)的塑性變形能力，剪力墻構(gòu)件端部一般設(shè)有樓面梁，作用有集中荷載，地震作用較大時(shí)，剪力墻端部受拉，其受力較復(fù)雜，所以在非底部加強(qiáng)部位端部設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件。無(wú)論是約束邊緣構(gòu)件還是構(gòu)造邊緣構(gòu)件，都是三向受約束的混凝土構(gòu)件，鋼筋對(duì)混凝土的約束較好。剪力墻連梁是剪力墻結(jié)構(gòu)在地震作用下的第一道防線，是先出現(xiàn)裂縫的耗能構(gòu)件，在配筋上要實(shí)現(xiàn)連梁的強(qiáng)剪弱彎，連梁受彎鋼筋不能大于規(guī)范規(guī)定的最大配筋率。

結(jié)束語(yǔ)：

在做剪力墻結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型過(guò)程中，遵循先控制軸壓比，再調(diào)整周期和位移，使結(jié)構(gòu)的剛度由弱變強(qiáng)的順序調(diào)整模型。并且注意短肢墻，墻身長(zhǎng)度，連梁配筋等問(wèn)題的解決。就能做出既安全又經(jīng)濟(jì)的剪力墻結(jié)構(gòu)住宅。