結構設計中剪力墻結構的設計研究

張巖

關鍵高層結構；剪力墻；受力；設計

一、引言

隨著人們對住宅，特別是高層住宅平面與空間的要求越來越高，普通框架結構和框架—剪力墻的件對建筑空間的嚴格限定與分隔己不能滿足人們對住宅空間使用和立面美觀的要求。純剪力墻結構既可以保證結構的安全可靠性，又可以使室內空間合理墻面平整，所以高層建筑結構中便越來越多地采用剪力墻結構。剪力墻的受力、變形特征，類似于框剪結構，但比框架結構的剛度分配、內力分配更合理，結構的變形協調導致的豎向位移差別，也比框剪結構小，傳基礎荷載更均勻、合理。這樣的結構形式能使建筑取得較好的經濟效果和建筑功能效果?；谶@種情況，本文將淺談高層剪力墻結構受力特點和設計的若干建議。

1結構布置

1. 1剪力墻布置

在高層剪力墻住宅建筑標準層單位面積含鋼量中，剪力墻墻身用鋼量約占45%一65% ，剪力墻邊緣構件用鋼量約占30%一50%，因此剪力墻布置的優劣直接關系到整個結構的經濟指標剪力墻布置的基本原則是：盡量減少剪力墻數量，且各墻肢布置時應考慮如何減少邊緣構件，以期通過布置較少的抗側力構件獲得滿足規范要求的抗側抗扭剛度度具體措施如下：

（1）強周邊，弱中部

剪力墻盡可能布置在結構周邊外圍護墻位置，必要時可利用房間窗臺設置高連梁以加強剛度在結構中部宜減少剪力墻的布置量（如中部樓電梯間附近），以便于提高主體結構的抗扭剛度，控制結構的周期比與位移比，同時有利于建筑外墻防水

（2）多均勻長墻，少短墻

在保證豎向及水平承重情況下，要精心選擇對結構承受水平及豎向荷載有利的隔墻位置設置剪力墻，盡量拉大剪力墻的布置間距，避免在較小的間距內布置多道剪力墻通過加長剪力墻墻肢長度，減少剪力墻數量，使結構整體抗側剛度增加，邊緣構件數量減少，且由于墻間距拉大，增加了建筑平面布置靈活性。

為了使剪力墻實現彎曲破壞的延性破壞模式，《高層建筑混凝土結構技術規程》簡稱高規，規定墻長不宜大于8m實際上影響剪力墻破壞模式的兩個主要因素是剪跨比和軸壓比，只要剪跨比大于2，且軸壓比滿足規范限值，能夠實現延性的彎曲破壞對高層剪力墻，即便是墻長大于8m，剪跨比一般也會大于2，即能滿足延性破壞的需求但需要注意的是，在一個結構單元中，布置剪力墻時應避免個別墻肢為長墻如果個別墻肢較長而其余墻肢較短時，長墻肢承擔總地震力的份額會較大，當其在超過設防地震的作用下首先發生破壞時，其余結構不能起到第一道抗震防線的作用，可能導致結構因個別長墻的破壞而發生連續倒塌所以在高層剪力墻結構中，長墻的脆性破壞不是主要的，內力集中的不良后果反倒應引起足夠重視一般來講可通過在長墻中部設置洞口弱連梁方式分為兩個短墻肢，但對于限額設計的項目來講設置洞口會增加暗柱數量及施工難度從而增加工程成本

二、剪力墻結構的受力特點

剪力墻結構是由一系列縱向、橫向剪力墻及樓蓋所組成的空間結構，承受豎向荷載和水平荷載，是高層建筑中常用的結構形式。由于縱、橫向剪力墻在其自身平面內的剛度都很大，在水平荷載作用下，側移較??；因此這種結構抗震及抗風性能都較強，承載力要求也比較容易滿足，適宜于建造層數較多的高層建筑。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；短肢剪力墻是指墻肢截面高度與厚度之比為5：8的剪力墻剪力墻主要承受兩類荷載：一類是樓板傳來的豎向荷載，在地震區還應包括豎向地震作用的影響；另一類是水平荷載，包括水平風荷載和水平地震作用。剪力墻的內力分析包括豎向荷載作用下的內力分析和水平荷載作用下的內力分析。在豎向荷載作用下，各片剪力墻所受的內力比較簡單，可按照材料力學原理進行。在水平荷載作用下，剪力墻的內力和位移計算則比較復雜。理論分析和試驗研究表明，在水平荷載作用下剪力墻的受力特性與變形狀態主要取決于剪力墻上的開洞情況。洞口是否存在，洞口的大小、形狀及位置的不同都將影響剪力墻的受力性能。剪力墻按受力特性的不同主要可分為整體剪力墻、不開口整體剪力墻、雙肢墻（多肢墻）和壁式框架等幾種類型。不同類型的剪力墻，其相應的受力特點、計算簡圖和計算方法也不相同，計算其內力和位移時則需采用相應的計算方法。整體剪力墻如一根懸臂桿件，在墻肢整個高度方向上，彎矩圖既不發生突變又不出現反彎點，變形曲線以彎曲型為主；不開口墻與雙、多肢剪力墻，在連梁高度處的墻肢彎矩有突變，但在整個墻肢的高度方向上，它沒有或僅僅在

個別樓層才出現反彎點，剪力墻的變形曲線依然以彎曲型為主?？傊?，剪力墻的受力需具體情況具體分析，應按能反映其性態的結構體系計算。

三、剪力墻設計的建議

剪力墻宜沿主軸方向或其他方向雙向布置；抗震設計的剪力墻結構，應避免僅單向有墻的結構布置形式。剪力墻墻肢截面宜簡單、規則。剪力墻結構的側向剛度不宜過大。遵循這樣的規范原則，剪力墻的布置： 遵循均勻、分散、對稱和周邊的原則。剪力墻應沿房屋縱橫兩個方向布置，剪力墻宜布置在房屋的端部附近、平面形狀變化處、恒荷載較大處以及樓梯處。在平面布置上盡可能均勻、對稱，以減小結構扭轉；不能對稱時，應使結構的剛度中心和質量中心接近，在豎向布置上應貫通房屋全高，使結構上下剛度連續、均勻?？刹贾贸蓡纹?，洞口布置在截面中部，避免布置在剪力墻端部或柱邊。高層建筑結構不應采用全部短肢剪力墻的剪力墻結構；短肢剪力墻較多時，應布置筒體（或一般剪力墻），形成短肢剪力墻

與筒體（或一般剪力墻）共同抵抗水平力的剪力墻結構。如果在剪力墻結構中，只有個別小墻肢，不應看成剪力墻結構而應作為一般剪力墻結構處理。剪力墻的間距為了保證樓（屋）蓋的側向剛度，避免水平荷載作用下樓蓋平面內彎曲變形，應控制剪力墻的最大間距。剪力墻的數量與結構體型、高度等有關。從抗震性考慮，在一定范圍內數量越多越好；從經濟性考慮，數量太多會使結構剛度和自重很大，地震力和材料用量增大，造價提高，基礎設計困難。因此，剪力墻的數量應適宜，只需滿足側向變形的限值即可（剪力墻的數量：規范要求剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩不宜小于結構總底部地震傾覆力矩的百分之五十。因為在地震時全靠剪力墻抵抗地震剪力，建筑結構設計時成片的剪力墻最好對稱布置，遵循“均勻、對稱、周邊、分散”的原則，以取得比較理想的設計效果。

四、結語

隨著社會的發展、經濟水平的提高，高層建筑將如雨后春筍般出現，剪力墻結構因其抗側剛度大，能有效地減少側移，目具有較好的抗震性能，因而被廣泛應用于多層和高層鋼筋混凝土建筑中。所以，掌握好剪力墻結構受力特點，把握好剪力墻結構設計的基本原則，建筑的結構設計就會更加安全、適用、可靠、經濟