高層建筑剪力墻結構設計的要點

羅海廣

廣東名都設計有限公司 510095

摘要：近年來，我國的社會經濟水平不斷發展和提高，作為一個高層建筑重要的組成部分的連梁剪力墻結構，是墻的應力傳遞紐帶的一個十分重要的環節間的、延性、剛度、耦合強度等特性均會對剪力墻的性能產生影響。本文針對提高建筑剪力墻結構設計進行探討。

關鍵詞：剪力墻；結構設計

剪力墻結構廣泛應用在高層建筑當中，剪力墻結構的整體性強、剛度大，可以大大有助于解決高層建筑防震等問題。通常剪力墻結構會出現在分間比較多的建筑物中，比如旅館等，剪力墻結構可以讓房間的分隔墻和承重墻合二為一，可以節省空間，又可以符合房間建筑強度的要求。使用剪力墻結構，可以隱藏室內的房梁等結構，讓室內的墻體整體看上去更整體性、美觀、簡潔，利于進行室內的布置。但是剪力墻結構也存在一些弊端，要通過優化剪力墻結構設計的方式來降低高層建筑的剪力墻結構中存在的弊端。

一、剪力墻的基本概念

高層建筑剪力墻結構設計時在高層建筑中廣泛應用的一種墻體結構，這種墻體結構的原料主要是鋼筋混凝土，用鋼筋混凝土墻板來代替框架結構中的梁柱，能承擔各類荷載引起的內力，并可以對結構的水平力進行有效的控制，這種用鋼筋混凝土墻板來承受豎向和水平力的結構稱為剪力墻結構，這種結構被大量運用在在高層房屋中。剪力墻截面具備以下幾點特點：有著墻肢長度遠大于厚度，并且自身平面內具有很大的承載力與剛度，平面外剛度和承載力都相對比較小，墻肢屬于偏心受壓或者偏心受拉構件。與此同時，在剪力墻結構中，墻屬于一個平面的構件，除了可以承受沿其平面作用的水平剪力以及彎矩之外，還能夠承擔豎向壓力；在軸力、剪力、彎矩的復合狀態下進行工作，其受水平力作用時似一底部嵌固于基礎上的懸臂深梁。在地震作用或風載下剪力墻除了需要符合剛度強度要求，還得滿足非彈性變形反復循環下的延性、能量耗散以及控制結構裂而不倒的需求。另外，在高層建筑中，剪力墻的設計隱藏了大量的承重柱，能夠使房屋內部建造更加美觀、簡潔，可以普遍滿足我國居民對建筑內部的美觀性的需求，而且可以為室內設計提供很大的空間，滿足現代城鎮居民的生活需求。

二、剪力墻的分類

剪力墻由于其孔洞的數量與大小的不同，影響其內力分布、受力特點以及變形狀態，根據其開洞的情況，能夠分為整截面墻、聯肢墻、整體小開洞墻等。

1、整截面墻：剪力墻不開洞或洞口面積小于總面積的16%，而且洞口長邊尺寸平均低于洞口至墻邊的凈距和洞口凈距。受力性能類似整體的懸臂構件，墻肢法向應力分布呈線性，破壞形態似偏心受壓柱，在設計的時候，需要盡可能地把豎向鋼筋分布在墻肢兩端。

2、聯肢墻：當剪力墻的洞口沿豎向成列布置，洞口面積超過墻體總面積的16%，各墻體由連梁連接，墻肢單獨作用明顯，連梁中部出現反彎點。

3、整體小開洞墻：當剪力墻洞口上下對齊，成列布置，洞口稍大，形成明確的墻肢和連梁，墻肢和連梁剛度較均勻。受力性能也可按整體懸臂構件考慮，并應考慮墻肢的局部彎矩，水平荷載引起的整體彎矩的85%以上由墻肢軸力所產生的內力矩來平衡，局部彎矩不超過整體彎矩的15%。

三、剪力墻結構的特點

高層建筑剪力墻結構是使用鋼筋混凝土鑄造，具有良好的剛性強度和穩定性，可以有效抵抗外界的壓力，打下一個高層建筑的建造的良好基礎。剪力墻結構的設計使用可以減低施工施工單位的建材成本，剪力墻結構中主要使用的原料是鋼筋混凝土，價格比較低廉，又可以滿足建筑強度的要求，在一定程度上使施工單位的經濟效益得到提高。由于剪力墻結構取代了傳統的建筑承重系統，因此，不會在建筑物室內中出現太多的承重，最大程度節省了建筑室內的空間，使室內設計更加美觀，降低了樓房建筑的空間局限性。與此同時，剪力墻結構也存在著一定的弊端，在高層建筑使用過多的剪力墻結構時，會使建筑在遭遇強度大的地震時出現巨大的反震力，導致降低建筑樓體的安全性。而且剪力墻結構所需的鋼筋混凝土材料大部分要求不高，所以在進行建筑施工時很容易出現建筑質量等問題，造成建筑及居民的人身財產安全受到很不利的影響。

四、剪力墻設計的原則

在剪力墻設計中，即要符合位移限值的要求，又要發揮框剪結構中各抗側力構件的作用，做到安全、經濟合理。剪力墻合理數量的確定原則是：在滿足規范規定的位移限值條件的前提下，應盡量減少剪力墻數量，可是應該滿足在基本振型地震作用下，剪力墻部分承受的地震傾覆力矩大于結構總地震傾覆力矩的50%。與此同時，規范規定框架部分承擔的剪力至少為底部總剪力的20%，或各層框架承擔的地震總剪力中最大值的1.5 倍。

五、提高高層建筑剪力墻結構設計的相關措施

1、防止出現獨立小墻肢，剪力墻剛度不宜太大

在《高層建筑混凝土結構技術規程》中有明文規定：“矩形截面獨立墻肢截面的高度不適合小于截面寬度的五倍?！比绻霈F以上情況，要嚴格限制墻肢軸壓比、配筋等，設計施工都較為困難。在實際的設計中，基本上獨立小墻肢是能夠通過合并洞口等方法解決的，或者對剪力墻進行合理的布置，讓小墻肢成為墻體翼緣，其受力狀態明顯好于獨立小墻肢，秩序適當地加強配筋就行了。同時，剪力墻結構還得具備一定的延性，細高的剪力墻容易設計成彎曲破壞的延性剪力墻，以此可以避免脆性的剪切破壞。

2. 優化連梁設計

按照《高規》在連梁設計方面的要求，對于連梁抗震及非抗震設計時高跨比大于2.5 及小于2.5 兩種情況，在配筋方面和截面受剪承載力有不一樣的規定。因此，需要把連梁進行塑性調幅，從而減少剪力設計值。塑性調幅可以選擇使用2種方式：（1）在內力計算之前折減連梁的剛度；（2）在計算內力后，把連梁彎矩與剪力組合值乘以折減系數。不管選擇什么方法，連梁調整后的剪力設計值、彎矩不可以低于使用狀況的值，也不能低于比設防烈度低一度的地震組合所得的彎矩設計值，防止在平常使用條件下，或者較小的地震作用下，出現連梁裂縫。與此同時，還得重視連梁的鉸接處理。

3.底部加強部位的設計

在設計剪力墻時，通常高層剪力墻結構，底部加強部位的高度可以取底部兩層高度二者的較大值，以及嵌固部位以上墻肢總高度的1/8；底部帶轉換層的高層建筑結構，其剪力墻底部加強部位的高度可以取墻肢總高度的1/8 二者的較大值及框支層加上框支層以上2 層的高度。如果把地下室頂板作為嵌固部位，在受到地震的影響下，屈服部位就會發生在地上樓層，并且還會影響著地下一層，此時，地下一層的抗震等級不可以降低，提高部位的范圍需要向下延伸到地下一層，而且還要根據相關的要求規范，在地下一層設立約束邊緣的構件。

4. 剪力墻結構的抗震薄弱環節以及概念設計

振動臺模擬地震試驗結果表明，剪力墻結構的抗震薄弱環節是：建筑平面外邊緣及底部外圍的小墻肢、角點處的墻肢、連梁等。如果有扭轉效應，首先開裂的就是建筑平面外邊緣以及角點處的墻肢；在受到地震的影響下，高層剪力墻結構會以整體彎曲變形為主，底部表面的小墻肢，截面的面積較小而且承受較大的豎向荷載，從而有較為嚴重的破壞，特別“一”字形小墻肢受到較為嚴重的破壞；由于在剪力墻結構中墻肢的剛度相對會降低，從而導致增加了連梁受剪破壞的可能性。所以，對這些薄弱環節，在剪力墻結構設計中就要進一步加強抗震構造措施以及抗震概念的設計。比如，在平面上剪力墻的分布要均勻，盡量讓建筑物質中心與其鋼度中心接近，以降低扭轉效應。

高層結構中連梁是一個耗能構件連梁的剪切破壞會使結構的延性降低，這樣會不利于抗震，因此在進行設計時，需要注意對連梁進行“強剪弱彎”的驗算，確保連梁的受彎屈服先于剪切破壞；剪力墻適宜在2個方向均有梁與之拉結，連梁）適宜布置在各肢的平面里，防止采用“一”字形墻肢；剪力墻底部的部位配筋要符合相關要求。

六、結束語

高層建筑剪力墻結構的設計，有著提高建筑性能的良好作用。因此，在進行剪力墻結構設計時，應當根據工程具體的特點，正確計算、分析剪力墻其受力狀態，結合其破壞形態進行設計并達到結構的安全性。唯有熟練、清楚地掌握規范，具備一個結構概念，才可以設計出安全、優秀、實用又經濟的建筑作品。

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