高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思考

于磊

（南京長江都市建筑設(shè)計(jì)股份有限公司 江蘇南京 210006）

0 引言

隨著土地資源的緊缺以及城市化進(jìn)程的高速發(fā)展，建筑逐漸向空間方向發(fā)展，近年來市場上出現(xiàn)越來越多的剪力墻結(jié)構(gòu)的高層住宅，高層住宅的安全性及可靠性就顯得尤為重要。一旦遭受地震作用或者外部撞擊時(shí)，高層住宅會發(fā)生劇烈晃動(dòng)，嚴(yán)重的甚至?xí)霈F(xiàn)局部塌陷，這就要求設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)時(shí)提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，保證結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，滿足規(guī)范要求的各項(xiàng)指標(biāo)。

1 鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的受力分析

剪力墻結(jié)構(gòu)主要由縱橫兩個(gè)方向的剪力墻、剪力墻之間的連梁以及樓蓋形成的空間結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)因其整體性較好、抗側(cè)剛度大、承載力高等優(yōu)點(diǎn)，在水平荷載作用下結(jié)構(gòu)的側(cè)移較小，抗震及抗風(fēng)性能都較好，具有很好的延性；同時(shí)由于剪力墻均可隱于建筑墻體中，不影響室內(nèi)使用空間和建筑功能，因此越來越多的高層住宅采用剪力墻結(jié)構(gòu)。一般剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比大于8的剪力墻；短肢剪力墻是指截面不大于300mm、各肢截面高度與厚度之比最大值大于4但不大于8的剪力墻。由于短肢剪力墻較一般剪力墻的延性較差，高層住宅抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免短肢剪力墻的設(shè)置，規(guī)范也通過限制短肢剪力墻的軸壓比來保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及安全性。

對于高層住宅，剪力墻結(jié)構(gòu)在豎向荷載和水平荷載作用下主要有四種破壞形式：①彎曲破壞；②彎剪破壞；③剪切破壞；④滑移破壞。剪跨比λ是影響剪力墻破壞形態(tài)的主要因素，試驗(yàn)表明當(dāng)λ≥2時(shí)，剪力墻的破壞形態(tài)以彎曲破壞為主；當(dāng)1≤λ＜2時(shí)通過合理設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)彎剪破壞；當(dāng)λ＜1時(shí)，呈現(xiàn)剪切破壞。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免脆性的剪切破壞，將剪力墻設(shè)計(jì)為延性較好的彎曲破壞或彎剪破壞。實(shí)際工程中滑移破壞很少出現(xiàn)，一般出現(xiàn)在施工縫位置，大多是由施工不當(dāng)引起，可以避免；近年來隨著裝配式建筑的不斷推廣，高層住宅中也開始采用預(yù)制剪力墻，由于現(xiàn)階段施工工藝以及灌漿檢測手段的不完善，裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的住宅應(yīng)重視施工縫處的滑移破壞。

2 剪力墻布置原則

方案階段應(yīng)力求建筑體型簡單化，剪力墻的布置平面上宜簡單、規(guī)則，沿兩個(gè)主軸方向均勻?qū)ΨQ布置，盡量使結(jié)構(gòu)的剛心與質(zhì)心重合；兩個(gè)方向的側(cè)向剛度相差不宜過大，宜布置L型或T型剪力墻，盡量避免一字墻以及短肢剪力墻的布置；同時(shí)豎向宜連續(xù)布置，避免剛度突變；門窗洞口宜上下對齊，形成明確的墻肢和連梁，避免設(shè)置寬度相差較大的洞口。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理控制

3.1 剪重比

為了限制各樓層最小水平地震力，出于對結(jié)構(gòu)安全性的考慮，特別是對于長周期結(jié)構(gòu)，規(guī)范提出了最小樓層地震剪力的要求。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對剪重比進(jìn)行合理的控制，當(dāng)?shù)卣鸺袅ζ《鴮娱g位移角偏大時(shí)，表明結(jié)構(gòu)剛度較柔，可通過增加剪力墻的布置來提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度；當(dāng)?shù)卣鸺袅ζ蠖鴮娱g位移角偏小時(shí)，表明結(jié)構(gòu)剛度較大，可通過縮短或取消部分剪力墻來減小結(jié)構(gòu)的剛度，以保證結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性；對于低烈度區(qū)或者場地土為Ⅰ類或Ⅱ類時(shí)，經(jīng)常遇到地震剪力偏小而層間位移又基本接近規(guī)范限值，說明結(jié)構(gòu)的剛度已較為合適，通過增大剛度來調(diào)整剪重比勢必會造成不經(jīng)濟(jì)，可通過放大樓層的地震剪力的方式來滿足剪重比的要求。

3.2 周期比

周期比是反映結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度之間相對大小的一個(gè)指標(biāo)，主要是保證抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置更加科學(xué)合理。一般住宅結(jié)構(gòu)不超過A級高度，周期比應(yīng)控制在0.9以內(nèi)，對于周期比不滿足規(guī)范要求時(shí)，可通過在結(jié)構(gòu)周邊布置剪力墻、增大周邊梁截面來提高結(jié)構(gòu)抗扭剛度，或者在結(jié)構(gòu)中部剪力墻開洞來降低內(nèi)筒剛度。

3.3 層間位移及位移角

在水平荷載作用下，剪力墻結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)側(cè)向位移。一般由三部分組成：樓層之間的剪切位移、彎曲變形產(chǎn)生的側(cè)移以及由于下部樓層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體變形而引起的轉(zhuǎn)動(dòng)位移。層間位移角是反映結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的一個(gè)重要指標(biāo)，對于剪力墻結(jié)構(gòu)層間位移角的限值為1/1000，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)通過調(diào)整兩個(gè)方向的剪力墻布置，使兩個(gè)方向的剛度相差不宜太大，同時(shí)滿足規(guī)范要求的層間位移角的限值。

3.4 位移比

位移比即是在考慮偶然偏心的規(guī)定水平力作用下，樓層的豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移，與該樓層平均位移的比值。對于不超過A級高度的高層住宅，位移比不宜大于1.2且不應(yīng)大于1.5。同時(shí)規(guī)范也提出當(dāng)樓層最大位移角不大于規(guī)范規(guī)定限值的40%時(shí)，位移比可適當(dāng)放松，但不應(yīng)大于1.6。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)調(diào)整最大位移比處構(gòu)件的側(cè)向剛度，同時(shí)盡可能使結(jié)構(gòu)剛心和質(zhì)心重合，減少扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)的不利影響。

4 剪力墻結(jié)構(gòu)中連梁的設(shè)計(jì)

4.1 連梁的受力分析

在地震作用下，連梁可以有效地吸收地震能量，進(jìn)而局部出現(xiàn)破壞，不影響整體建筑的安全性。由于剪力墻剛度較大，在地震作用下產(chǎn)生的地震剪力也較大，相應(yīng)連梁產(chǎn)生的變形也較大，連梁就會出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)角，這時(shí)連梁就出現(xiàn)了塑性鉸，表明連梁已進(jìn)入彈塑性受力階段，在水平荷載不斷增大的同時(shí)，塑性鉸也進(jìn)行擴(kuò)展，直到損壞。連梁作為剪力墻結(jié)構(gòu)的第一道防線，以保證地震作用下剪力墻不出現(xiàn)塑性鉸。

4.2 連梁超筋的解決方法

在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，我們經(jīng)常會遇到連梁出現(xiàn)超筋的情況，可以采用以下方法進(jìn)行調(diào)整：

4.2.1 調(diào)整連梁截面

連梁的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循強(qiáng)剪弱彎的原則，可以將連梁的截面調(diào)小或者將連梁跨度增大，以削弱此處結(jié)構(gòu)的剛度，減小連梁在地震作用下的剪力。

4.2.2 設(shè)置交叉斜筋或?qū)前祿?/p>

可以設(shè)置交叉斜筋或者對角暗撐，增大連梁的抗剪承載力。規(guī)范要求設(shè)置交叉斜筋的連梁截面寬度不小于250mm，對于對角暗撐連梁截面不小于400mm，而一般住宅剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻厚度為200mm，只有在高烈度區(qū)剪力墻厚度超過250mm時(shí)方可采用此方法。

4.2.3 設(shè)置雙連梁

雙連梁是在連梁截面高度的中間部位設(shè)置一條水平縫，將一根連梁分為兩根小連梁，一般水平縫的寬度為50～100mm，可保證連梁的抗剪承載力基本保持不變，而大大削弱連梁的抗彎承載力，滿足強(qiáng)剪弱彎的要求。

4.2.4 連梁剛度折減

在計(jì)算地震作用效應(yīng)時(shí)，可對剪力墻連梁剛度進(jìn)行折減，減少地震作用下連梁的受力，折減系數(shù)不宜小于0.5；而當(dāng)連梁內(nèi)力由風(fēng)荷載控制時(shí)，連梁剛度不宜折減。

4.2.5 荷載表現(xiàn)不明顯的情況

當(dāng)連梁破壞對承受豎向荷載無明顯影響時(shí)（無樓面梁支撐在連梁上時(shí)），可考慮在大震作用下該連梁不參與工作，按獨(dú)立墻肢進(jìn)行第二次多遇地震作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，墻肢應(yīng)按兩次計(jì)算的較大內(nèi)力進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，同時(shí)連梁本身滿足非抗震設(shè)計(jì)的承載力和正常使用要求。

5 總結(jié)

總而言之，在進(jìn)行高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，要結(jié)合實(shí)際工程合理布置剪力墻，同時(shí)滿足規(guī)范要求的各項(xiàng)指標(biāo)，采用適當(dāng)?shù)姆绞秸{(diào)整連梁剛度，保證剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能以及較好的延性，避免出現(xiàn)安全問題。