高層及多層民用建筑設(shè)計中剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

康穎

0 前言

剪力墻結(jié)構(gòu)是由鋼筋及混凝土材料現(xiàn)場澆筑而成的、具備較強承載能力及平面內(nèi)剛度的結(jié)構(gòu)，是一種能夠高效抵抗水平地震及風(fēng)作用和豎向荷載作用的結(jié)構(gòu)形式。剪力墻結(jié)構(gòu)在高層及多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用除了應(yīng)注意充分發(fā)揮出剪力墻結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用優(yōu)勢之外，還應(yīng)在設(shè)計之前明確剪力墻結(jié)構(gòu)在荷載作用下的剪切變形情況及平面外薄弱設(shè)計缺陷，以確保結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在開展剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中準確把握剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理、了解剪力墻結(jié)構(gòu)的破壞機理，以充分的發(fā)揮出剪力墻結(jié)構(gòu)在高層及多層建筑設(shè)計中的設(shè)計優(yōu)勢、提升剪力墻結(jié)構(gòu)體系于高層及多層建筑的設(shè)計性能。

1 高層及多層民宅建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原則分析

①開展高層及多層民宅建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中應(yīng)注重對剪力墻墻體截面尺寸（高度、厚度）的選擇，可嚴格依據(jù)《抗規(guī)》條文內(nèi)容、結(jié)合建筑平面布置規(guī)則確定剪力墻結(jié)構(gòu)的高寬比、剪力墻墻肢長度等重要參數(shù)；②充分考慮到剪力墻結(jié)構(gòu)自身性能與墻肢外框架柱或雙向受壓構(gòu)件之間的聯(lián)系，避免框架柱或雙向受壓構(gòu)件受力狀態(tài)影響剪力墻墻肢的受力狀態(tài)；③剪力墻結(jié)構(gòu)的受力情況較為復(fù)雜，其受建筑高度及建筑層間高度影響較大，需要結(jié)構(gòu)設(shè)計人員采取必要措施滿足剪力墻平面內(nèi)外剛度、墻肢變形能力及延伸性能；④與剪力墻結(jié)構(gòu)平面外搭接的鋼筋混凝土構(gòu)件必須采取可靠的措施以確保剪力墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)在高層及多層民宅建筑設(shè)計中的設(shè)計要點分析

2.1 剪力墻結(jié)構(gòu)平面布置的設(shè)計要點分析

高層及多層民宅建筑剪力墻結(jié)構(gòu)能夠承受豎向荷載及水平荷載，為提升剪力墻結(jié)構(gòu)體系的抗荷載、抗變形能力，可在剪力墻結(jié)構(gòu)布置時采用沿建筑平面主要軸線布置的方式，具體布置設(shè)計要點總結(jié)如下：①在建筑專業(yè)提供建筑平面布置圖之后結(jié)構(gòu)人員先對建筑平布布置圖做概念設(shè)計，從整體把握剪力墻結(jié)構(gòu)布置的方向及類型，如布置矩形（如電梯間位置處）、T形（如分戶墻位置處）、L形（如墻體轉(zhuǎn)角處）剪力墻墻肢，確保建筑平面三個方向上均有剪力墻結(jié)構(gòu)以提升剪力墻結(jié)構(gòu)受力均勻、抗扭能力強；②如果在特殊位置處布置了三角形或Y形剪力墻結(jié)構(gòu)，也應(yīng)沿著建筑平面三個方向布置剪力墻；③如果建筑平面墻體呈現(xiàn)正多邊形或圓弧形墻體布置情況，應(yīng)沿著正多邊形或圓弧形的徑向或環(huán)向方向布置剪力墻，以確保在X軸方向和Y軸方向上剪力墻墻體的抗側(cè)力剛度均勻；④據(jù)《抗規(guī)》具體條文表明剪力墻布置長度不宜過長，可選擇在剪力墻墻體上布置連梁或框架梁的方式控制剪力墻的長度，這也在一定程度上有效控制了不同方向上剪力墻墻肢剛度過大的情況。

2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)豎向布置的設(shè)計要點分析

高層及多層民宅建筑剪力墻結(jié)構(gòu)豎向布置設(shè)計應(yīng)遵循上下對齊的基本設(shè)計原則，若剪力墻上下不對齊則整體計算時會發(fā)生層間剛度超限，剪力墻承載能力不足的情況。連梁的設(shè)計方式主要是剪力墻墻體開洞，建筑物上下層間的開洞位置宜上下對齊，以確保在同一位置處剪力墻及連梁的受力性能不發(fā)生明顯的變化。剪力墻結(jié)構(gòu)豎向布置還應(yīng)確保在豎向荷載及水平作用下剪力墻墻肢的傳力路徑明確、剪力墻整體經(jīng)濟性滿足設(shè)計要求。常用措施是剪力墻混凝土強度等級隨樓層數(shù)的增高而降低，但不宜低于C30。

2.3 剪力墻結(jié)構(gòu)計算優(yōu)化要點分析

結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)在高層及多層民宅建筑剪力墻設(shè)計的過程中注重剛度等重要性參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，除了調(diào)整剪力墻平面及豎向布置方案，還應(yīng)重視剪力墻結(jié)構(gòu)體系整體計算參數(shù)的優(yōu)化。目前，在我國剪力墻結(jié)構(gòu)體系整體計算中常用的結(jié)構(gòu)建模及計算軟件為PKPM和盈建科。結(jié)構(gòu)建模及計算軟件前期處理中的參數(shù)設(shè)置是非常重要的，忽略重要性參數(shù)的優(yōu)化選取將得到不一樣的計算結(jié)果，稍不注意將致使整個建筑結(jié)構(gòu)體系的安全性、穩(wěn)定性及經(jīng)濟性受到較大損失。①結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)重視剪力墻結(jié)構(gòu)體系層間位移比的控制，該參數(shù)不僅是我國規(guī)范強制性規(guī)定，也是影響剪力墻結(jié)構(gòu)整體性的重要性參數(shù)。剪力墻結(jié)構(gòu)體系層間位移比數(shù)值與剪力墻結(jié)構(gòu)的彎曲變形、扭轉(zhuǎn)變形、上下層剪力墻剛度、剪重比等眾多參數(shù)相關(guān)，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)在調(diào)整剪力墻結(jié)構(gòu)層間位移比時全盤考慮所有因素，不得顧此失彼，不得僅提升剪力墻剛度來解決層間位移比超限問題；②剪力墻結(jié)構(gòu)的剪重比與剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能密切相關(guān)，從多年結(jié)構(gòu)設(shè)計工作經(jīng)驗分析可知，剪重比數(shù)值的大小與建筑物剪力墻結(jié)構(gòu)整體剛度關(guān)系密切，可通過增大建筑物剪力墻側(cè)向剛度的方式降低結(jié)構(gòu)整體基本周期，在增大水平地震作用的情況下增大結(jié)構(gòu)整體剪重比，促使其接近規(guī)范限制；③解決連梁抗剪或抗扭超限問題，如果連梁的高度比介于2.5～5之間，可采用剪力墻開洞設(shè)計方案；如果連梁的高度比超過5可采用框架梁的設(shè)計方案。當通過調(diào)整混凝土等級、高度比等方式都不能合理解決連梁超限問題時，可采用布置交叉斜筋的方式，但應(yīng)將剪力墻的厚度控制在300mm以上；④調(diào)整剪力系數(shù)，適當降低建筑物剪力墻結(jié)構(gòu)體系的重量，在提升剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的同時還能降低工程投資成本。

2.4 剪力墻邊緣構(gòu)件設(shè)計要點分析

①剪力墻邊緣構(gòu)件設(shè)計應(yīng)綜合考慮梁構(gòu)件對邊緣構(gòu)件的約束作用。一旦剪力墻邊緣構(gòu)件所承擔的剪力或彎矩數(shù)值過大將會導(dǎo)致建筑物結(jié)構(gòu)整體的層間位移不受控制、邊緣構(gòu)件計算不通過的情況；②經(jīng)過內(nèi)力調(diào)整后的鋼筋混凝土構(gòu)件的剛度分配宜合理，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)確保所有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷截面的內(nèi)力計算是準確無誤的；③增大邊緣構(gòu)件截面長度（加大邊緣構(gòu)件翼柱或翼墻的尺寸）可有效抑制結(jié)構(gòu)體系層間位移角超限問題，但相應(yīng)的工程造價成本也會上升；④邊緣構(gòu)件選用HRB400鋼筋可降低工程造價，具體應(yīng)依據(jù)建筑工程項目抗震參數(shù)確定；④邊緣構(gòu)件的箍筋宜選用封閉箍的形式，少使用拉筋具有多種優(yōu)勢；⑤當邊緣構(gòu)件的Lc長度大于陰影區(qū)長度時邊緣構(gòu)件的陰影區(qū)域外部不要做成約束邊緣構(gòu)件，否則邊緣構(gòu)件內(nèi)縱筋及箍筋的配筋均會增大。

2.5 剪力墻結(jié)構(gòu)梁板構(gòu)件設(shè)計要點分析

①剪力墻結(jié)構(gòu)中的梁板構(gòu)件厚度會影響整個項目的用鋼量，可依據(jù)規(guī)范要求和計算結(jié)果（撓度、裂縫、設(shè)備穿管要求等）控制梁板構(gòu)件厚度；②梁構(gòu)件傳力路徑應(yīng)清晰簡單；③除特殊情況下，連梁的寬度宜與剪力墻厚度相同；④小跨度板或板厚較厚時可不設(shè)置梁，如果板上砌有填充墻，可在板上附加加強筋。

3 結(jié)語

剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計是高層及多層民宅建筑設(shè)計中至關(guān)重要的設(shè)計環(huán)節(jié)，也是切實提升建筑物整體穩(wěn)定性及抗災(zāi)性能的關(guān)鍵性工作。強化對剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計要點的分析有助于完善結(jié)構(gòu)設(shè)計工作、提升結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量。