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1、刍议高层建筑剪力墙结构设计摘要：随着社会的发展，高层建筑已成为城市建筑、生活的主流。剪力墙是钢筋混凝土高层结构中不可缺少的构件，本文从剪力墙结构设计的基本概念谈起，介绍了剪力墙设计中的结构布置、参数控制、构件计算配筋几个方面进行了探讨。关键词：高层建筑；剪力墙；结构设计引言：剪力墙结构是由一系列纵向、横向剪力墙及梁、板所组成的空间结构，承受竖向荷载和水平荷载，是高层建筑中常用的结构形式。由于纵向、横向剪力墙在其自身平面内的刚度都很大，在水平荷载的作用下，侧移较小，因此这种结构抗震及抗风性能都较强，适宜于建造层数较多的高层建筑。结构工程师应该在剪力墙设计中把握要点，使结构安全、经济。本文对高层建
2、筑剪力墙结构设计过程中应注意的问题进行了探讨。 一、剪力墙的基本概念 剪力墙结构是用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱，能承担各类荷载引起的内力，并能有效控制结构的水平力，这种用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构称为剪力墙结构。这种结构在高层建筑中被大量运用。剪力墙截面特点是墙肢长度远大于厚度，自身平面内具有很大的刚度和承载力，平面外刚度和承载力都相对较小，墙肢属于偏心受压或偏心受拉构件。同时在剪力墙结构中，墙是一个平面构件，它除了承受沿其平面作用的水平剪力和弯矩外，还承担竖向压力；在轴力、弯矩、剪力的复合状态下工作，其受水平力作用时似一底部嵌固于基础上的悬臂深梁。在地震作用或风载下剪力
3、墙除须满足刚度强度要求外还必须满足非弹性变形反复循环下的延性、能量耗散和控制结构裂而不倒的要求。 二、合理的结构布置 结构的布置对建筑物的抗震性能有巨大的影响，合理的结构布置是结构安全、经济的前提。主要从平面和竖向布置两个方面进行考虑。 (一)平面布置原则。高层建筑结构平面形状宜简单、规则、对称，刚度和承载力分布均匀，宜沿两个主轴方向或其他方向双向布置，两个方向的侧向刚度不宜相差过大，不应采用严重不规则的平面形状，这样可以减少扭转的影响。宜选用风压较小的形式，还必须考虑有利于抵抗水平作用和竖向荷载，受力明确、传力直接。 (二)竖向布置原则。竖向布置应使体型规则、均匀，避免有较大的外挑和内收，避
4、免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。剪力墙结构为了底部大空间的需要，底层或底层若干层剪力墙不落地，可能产生刚度突变，这时应尽量增加其他落地剪力墙，柱或筒体的截面尺寸，并适当提高相应楼层混凝土的等级，使刚度的变化减少。 三、剪力墙结构设计原则 剪力墙结构设计时，应充分发挥各抗侧力构件的作用，在确保安全的前提下做到经济合理。规范用各项技术指标对剪力墙结构的整体设计进行了限定，包括位移角，位移比，周期比，刚度比，楼层受剪承载力比等，同时也对具体构件的设计指标做了限定，包括轴压比，配筋率，配箍率等。但是满足了规范的要求仅仅只是满足了安全性问题，我们还要兼顾经济性设计，只有安全、经济的设计才是合理的设计
5、，反过来一个合理的设计最终必然是安全、经济的。在剪力墙结构中，墙体的数量和布置是对合理性影响巨大的部分，在安全性上，剪力墙是主要的抗侧力构件，在经济性上，剪力墙也占据了一大部分的工程成本。剪力墙数量应尽量减少，当存在其他抗侧力构件如框架柱时，还应满足在基本振型地震作用下，剪力墙部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50。同时，规范规定框架部分承担的地震剪力至少为底部总剪力的2O，或各层框架承担的地震总剪力中最大值的15倍。当框架部分承担的剪力无法满足规范要求时，应对框架地震剪力进行调整 ，以确保在设防地震，罕遇地震时剪力墙先于框架破坏后，由于塑性内力重分布引起的框架分配的地震剪力加大的
6、情况，使框架部分成为有效的抗震第二道防线。 下面是对结构设计中须重点关注的几种技术指标的调整原则的浅析，若有不对之处，请广大同行指正。 1、楼层最小剪力系数（剪重比）的调整原则在满足短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩不超过40%的前提下尽可能少布置剪力墙，以大开间剪力墙布置方案为目标，使结构具有适宜的侧向刚度，使楼层最小剪力系数接近规范限值（不小于限值）。这样能够减轻结构自重，有效减小地震作用的输入，同时降低工程造价。 2、楼层层间最大位移与层高之比（位移）的调整原则规范规定多遇地震作用标准值产生的楼层最大的弹性层间位移在计算时，除以弯曲变形为主的高层建筑外，可不
7、扣除结构整体弯曲变形，应计入扭转变形。由此可见，对于一般的高层建筑，重点是楼层间的剪切变形及扭转变形。剪切变形的控制是以竖向构件的多少来决定的，但竖向构件足够多（剪重比偏大）而布置不合理，则会造成扭转变形过大，同样不能满足层间位移的要求。因此，对于高层建筑应尽可能使扭转变形最小，而不能仅根据层间位移不够不加分析地增加竖向构件的刚度。 3、结构扭转为主的第一自振周期Tt 与平动为主的第一自振周期T1 之比（周期 比）的调整原则第一自振周期Tt 之比（周期比）的调整原则新高规A、B级区分规定，结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期T1 之比，A级高层建筑不应大于0.90，B级高层建筑不
8、应大于0.85。限定周期比是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不至于出现过大的扭转效应。在实际工程设计中，应将结构竖向构件尽可能沿建筑周边布置，降低结构中间构件的刚度，这样既可以提高结构的侧向刚度，同时又能较大幅度的提高结构的整体刚度。 4、剪力墙连梁超限的调整原则剪力墙连梁的跨高比不宜小于2.5，跨高比小于2.5的连梁很容易出现剪力和弯矩超过规范限值，且纵筋最大配筋率大幅降低，不利工程设计。高规规定跨高比不小于5的连梁宜按框架梁进行设计。即跨高比不小于5的连梁刚度不应折减。而跨高比在56间时，若连梁刚度不折减则也易出现剪力或弯矩超限。本人认为该条文在实际工程设计中若能充分利用，则对
9、节省工程造价有非常明显的影响，即将跨高比不大于5的连梁（抗震计算时折减） 和减小剪力墙墙肢长度使连梁跨高比变为大于6 的框架梁（刚度不折减），而后者的钢筋及混凝土用量均小于前者，这对于节省工程投资具有很重要的意义。 四、剪力墙设计 剪力墙所承受的竖向荷载，一般是结构自重和楼面荷载，通过楼面传递到剪力墙。竖向荷载除了在连梁（门窗洞口上的梁）内产生弯矩以外，在墙肢内主要产生轴力。可以按照剪力墙的受荷面积简单计算。在水平荷载作用下，剪力墙受力分析实际上是二维平面问题，精确计算应按照平面问题进行求解。可借助于计算机，用有限元方法进行计算。计算精度高，但工作量较大。在工程设计中，可以根据不同类型剪力墙的
10、受力特点，进行简化计算。整体墙和小开口整体墙：在水平力的作用下，整体墙类似于一悬臂柱，可以按照悬臂构件来计算整体墙的截面弯矩和剪力。小开口整体墙，由于洞口的影响，墙肢间应力分布不再是直线，但偏离不大。可以在整体墙计算方法的基础上加以修正。联肢墙：联肢墙是由一系列连梁约束的墙肢组成，可采用连续化方法近似计算。壁式框架：壁式框架可以简化为带刚域的框架，用改进的反弯点法进行计算。框支剪力墙和开有不规则洞口的剪力墙：此两类剪力墙比较复杂，最好采用有限元法借助于计算机进行计算。框架结构和剪力墙结构，两种结构体系在水平荷载下的变形规律是完全不同的。框架的侧移曲线是剪切型，曲线凹向原始位置；而剪力墙的侧移曲
11、线是弯曲型，曲线凸向原始位置。在框架剪力墙（以下简称框剪）结构中，由于楼盖在自身平面内刚度很大，在同一高度处框架、剪力墙的侧移基本相同。这使框剪结构的侧移曲线既不是剪切型，也不是弯曲型，而是一种弯、剪混合型，简称弯剪型。在结构底部，框架将把剪力墙向右拉；在结构顶部，框架将把剪力墙向左推。因而，框剪结构底部侧移比纯框架结构的侧移要小一些，比纯剪力墙结构的侧移要大一些；其顶部侧移则正好相反。框架和剪力墙在共同承担外部荷载的同时，二者之间为保持变形协调还存在着相互作用。框架和剪力墙之间的这种相互作用关系，即为协同工作原理。 五、优化高层建筑剪力墙结构设计的措施 1、避免出现独立小墙肢与剪力墙刚度不宜
12、过大 高层建筑混凝土结构技术规程(简称高规)中规定，墙肢截面高度与厚度之比不大于4时，宜按框架柱进行截面设计，比值大于4，不小于8时，为短肢剪力墙，一旦出现短肢剪力墙的情况，规范对墙肢轴压比、配筋等都有更加严格的限制，设计施工都比较困难。在实际设计中，独立小墙肢基本上可以通过合并洞口等方法消除，或合理布置剪力墙，使小墙肢成为墙体翼缘，其受力状态明显好于独立小墙肢，仅适当加强配筋即可。同时剪力墙结构应具有足够的延性，细高的剪力墙容易设计成弯曲破坏的延性剪力墙，从而可避免脆性的剪切破坏。 2、注重转换层结构设计 高层建筑功能和形式日益多样化，当多功能综合大楼要求一栋建筑物的上部伸部)和下部使用功能
13、不同时，结构布置也要相应改变，要设置转换构件衔接上下结构，传递内力，设置转换构件的楼层称为转换层。因此，对于高位转换的底部大空间剪力墙结构这样的复杂结构，应当慎重设计。由于高位转换时刚度和质量较大的转换层升高，调整转换层本身及其上、下的刚度比使之接近是必要的，转换层本身的刚度和质量不宜大，最终可通过水平力作用下精确的空间分析检查转换层附近的层间位移角是否基本均匀。宜尽量选用刚度和重量较小的转换层结构形式，计算时应多取参与组合的振型数。通过计算仔细分析可能存在的薄弱部位，研究具体的内力分配特点，通过调整内力和构件配筋设计改善薄弱部位的性能。 3、优化连梁设计 根据高规在连梁设计方面的规定，对于连
14、梁非抗震及抗震设计时高跨比大于25及小于25两种情况在截面受剪承载力及配筋方面有不同规定。为此应将连梁进行塑性调幅，以降低剪力设计值。塑性调幅可采用两种方法：(1)在内力计算前将连梁刚度进行折减；(2)在内力计算之后，将连梁弯矩和剪力组合值乘以折减系数。无论采用何种方法连梁调整后的弯矩、剪力设计值不应低于使用状况的值，也不宜低于比设防烈度低一度的地震组合所得的弯矩设计值，以避免在正常使用条件下或较小的地震作用下连梁出现裂缝。同时要注重连梁的固结处理。 4、加强部位的设计 在剪力墙设计时，一般高层剪力墙结构，底部加强部位的高度可取嵌固部位以上墙肢总高度的110和底部两层高度二者的较大值；底部带转
15、换层的高层建筑结构，其剪力墙底部加强部位的高度可取框支层加上框支层以上2层的高度及墙肢总高度的110二者的较大值。当将地下室顶板视作嵌固部位，在地震作用下的屈服部位将发生在地上楼层，同时将影响到地下1层，此时地下1层的抗震等级不能降低，加强部位的范围应向下延伸到地下1层，并根据不同的抗震等级设置构造边缘构件或约束边缘构件。 5、剪力墙结构的抗震薄弱环节及概念设计 振动台模拟地震试验结果表明建筑平面外边缘及角点处的墙肢、底部外围的小墙肢、连梁等是剪力墙结构的抗震薄弱环节。当有扭转效应建筑平面外边缘及角点处的墙肢会首先开裂；在地震作用下，高层剪力墙结构将以整体弯曲变形为主，底部外围的小墙肢，截面面
16、积小且承受较大的竖向荷载破坏严重，尤其“一”字形小墙肢破坏最严重；在剪力墙结构中，由于墙肢刚度相对减小，使连梁受剪破坏的可能性增加。因此，在剪力墙结构设计中，对这些薄弱环节，更应加强概念设计和抗震构造措施。例如，剪力墙在平面上分布要求均匀，使其钢度中心和建筑物质中心尽量接近，以减小扭转效应；适当增加建筑平面外边缘及角点处的墙肢厚度(宜取250mm，对低部外围的小墙肢根据需要可取用300ram)，加强墙肢端部的暗柱配筋，严格控制墙肢截面的轴压比，以提高墙肢的承载力延性，高层结构中连梁是一个耗能构件，连梁的剪切破坏会使结构的延性降低，对抗震不利，设计时应注意对连梁进行“强剪弱弯”的验算，保证连梁的受弯屈服先于剪切破坏；剪力墙宜在两个方向均有梁与之拉结，连梁)宜布置在各肢的平面内，避免采用“一”字形墙肢；剪力墙底部加强部位的配筋应符合规范要求等。 结束语： 高层建筑剪力墙结构的设计，通过文章从结构的布置，判断结构整体合理性和剪力墙设计以及优化剪力墙设计措施等几个
