剪力墙结构设计若干问题的思考

刘娜

（广东省轻纺建筑设计院，广东 广州 510080）

1 前言

剪力墙之所以是主要的抗震结构构件是因为:剪力墙的水平刚度大，容易满足小震作用下结构尤其是高层结构的侧向位移限制。但是刚度大剪力墙承受的地震水平力也随之增大，以往认为钢筋混凝土剪力墙结构的破坏属于脆性破坏形式，所以一些国家对剪力墙在地震区的采用持慎重态度。随着实验研究的深入，使剪力墙的抗震设计有了很大发展，形成了一套较完整的强度，延性保证构造措施。我国清华大学工程研究所及国内外其他研究单位所做实验表明，剪力墙的边琢构件有横向钢筋约束可有效改善混凝土的受压性能，增大剪力墙的延性。与不设置边缘构件的矩形剪力墙相比其极限承载力提高约40%，耗能能力提高20%，极限层间位移角可增大一倍。此外还能防止剪力墙发生水平剪切滑动提高抗剪能力。边缘构件根据结构形式和受力状况分为约束边缘构件和构造边缘构件两类，其作为剪力墙的加强边约束能力主要与边缘构件的配筋范围、配箍量以及配筋形式有关。

2 剪力墙边缘构件的配筋设计

2.1 底部加强区约束边缘构件设置条件

《抗震规范》及《高规》中规定，一、二级抗震墙底部加强部位及相邻的上一层的墙肢端部应设置约束边缘构件;一、二级抗震设计剪力墙的其他部位以及三、四级抗震设计和非抗震设计的剪力墙墙肢端部均应设置构造边缘构件。《抗震规范》同时规定墙肢底截面在重力荷载代表值作用下的轴压比小于表1 的规定值时可设置构造边缘构件。

表1 抗震墙设置构造边缘构他约最大轴压比

由有关研究可知，抗震墙的延性除了与边缘构件范围，配箍大小等因素有关外，还与截面的的相对受压区高度或轴压比有关，当截面的的相对受压区高度或轴压比较小时，即使不设置约束边缘构件，抗震墙也具有较好的延性和耗能能力。当相对受压区高度或轴压比超过一定值时，就需要增大边缘构件的范围和配箍量。文献不仅考虑了位置因素，还考虑了轴压比的影响，而《高规》适用于高层建筑结构。剪力墙属竖向悬臂构件，当为高层结构时，即使在轴压比较小的情况下，由于竖向高度较高，横向地震力对剪力墙产生的弯矩在剪力墙底部也会很高，所以，对底部加强部位的约束边缘要求不予放宽是有道理的。值得注意的是，目前设计较多的小高层住宅多采用短肢剪力墙，由于短肢剪力墙在结构中所占比例较高，结构与侧向刚度较大的普通概念的剪力墙结构有了显著量变，规范系针对普通概念的剪力墙制定，对整体短肢剪力墙结构的适用程度便较难把握，全部套用并不合适，有待进一步的研究。

2.2 约束边缘构件配筋

2.2.1 约束边缘构件阴影部分配筋

阴影部分箍筋体积配箍率按规范可通过相关公式pv=λvfc/fyv=0.2fc/fyv求得。但对所配箍筋的形式未作具体要求。首先阴影部分外围应采用封闭箍筋，因为封闭箍筋越多对混凝土的约束能力越强，承压，抗剪能力提高越多。其次阴影部分中部的复合箍，可采用方框箍相套方式，也可采用拉筋方式。拉筋要求既拉住纵筋也拉住横向筋，试验证明拉筋功能优于单肢箍和复合套箍，截面中部的复合箍采用拉筋能更好地模拟三向受压状态。(日本规范规定当柱截面内部的复合箍均采用拉筋时柱的轴压比限值可以适当提高就是这个道理。)此外，为了充分发挥约束边缘构件的作用，参考国外规范，箍筋的长边不大于短边的3 倍，且相邻两个箍筋应相互搭接1/3 长边的距离。

2.2.2 约束边缘构件非阴影部分配筋

约束边缘构件非阴影部分即体积配箍率为入v/2 的区域，此区域是边缘构件和剪力墙之间共有的过渡部分，其配筋对剪力墙延性影响小于阴影部分。该部位的纵筋为剪力墙竖向分布筋，但间距应与拉筋配合且不大于竖向分布筋间距;水平筋就是剪力墙身的水平分布筋，设计中部分结构师将按阴影部分计算的箍筋扩展到非阴影部分，结果墙身水平分布筋通过该部位伸至剪力墙端部弯钩锚固，将于设置在非阴影部分的箍筋发生长距离重叠，导致该部位的实际配箍率过大，造成不必要的浪费。

另外，规范规定，一、二级剪力墙阴影部分的箍筋或拉筋竖向间距分别不宜大于100mm，150mm。因此部分结构师就简单的把非阴影部分拉筋间距取为阴影部分间距的2 倍(非阴影部分配箍特征值为阴影部分1/2)，即200mm 和300mm。但规范中规定，一、二级剪力墙底部加强部位构造边缘构件箍筋或拉筋沿竖向最大间距为100mm 和150mm。其他部位150mm，200mm。笔者认为作为轴压比更大的约束边缘构件，其箍筋或拉筋的设置标准不宜低于相同抗震等级构造边缘构件的要求。

此外，当剪力墙水平分布筋间距不符合约束边缘构件非阴影部分箍筋或拉筋最大间距时，例如，水平筋间距为200mm，而箍筋或拉筋间距为150mm，若非阴影部分只配置拉筋，则有部分拉筋将无法拉住水平筋，此时，可以考虑在此部位设置附加水平筋的措施。

约束边缘构件纵筋是由剪力墙截面抗弯计算而来，两端部纵筋合力中心距离大小直接影响承载力大小，《抗震规范》规定:“约束边缘构件沿墙肢的长度和配箍特征值应符合表6.4.7 的要求，一、二级抗震墙约束边缘构件在设置箍筋范围内(即图6.4.7 中阴影部分)的纵向钢筋配筋率，分别不应小于1.2%，1.0%”。此条说明约束边缘构件的纵向钢筋配筋率按阴影部分计算，间接说明应配在阴影部位，《高规》对阴影部分纵筋配筋量要求与文献《抗震规范》相同。但规定，约束边缘构件纵向钢筋的配筋范围不应小于阴影面积，导致结构师将此理解为配筋范围的下限值，从而将端部纵筋均布在整个约束边缘构件Ic 范围内，结果使钢筋合力中心距离减少(截面高度大时尤为明显)，使截面抗弯承载力降低，影响结构安全。因此，纵向钢筋的配置范围应为约束边缘构件的阴影部分，不应随意扩大范围。

2.2.3 剪力墙水平分布筋锚固

目前，部分结构师和现场施工人员认为剪力墙水平分布筋锚入边缘构件 (一般为暗柱)满足搭接长度即可或可仿照梁与柱连接的做法。但事实上，边缘构件与剪力墙墙身之间的连接有别于不同构件(例如梁与柱)之间的连接，边缘构件并不是剪力墙墙身的支座，其本身是剪力墙的一部分，剪力墙水平分布筋是用以抵抗水平地震作用产生的剪力，是按整片墙肢进行配置的，并未扣除边缘构件的长度;且规范中未考虑剪力墙边缘构件抵抗水平地震剪力，其中所配箍筋的作用是约束混凝土，改善混凝土的受压性能，提高剪力墙的延性能力，两者属于一个整体只是作用不同。因此应按标准图集(03G101-1)做法，将水平分布筋伸至墙肢端部垂直弯折15d。

3 设置转角窗的结构设计

随着房地产市场的蓬勃发展，市场竞争的加剧设计院为了迎合甲方及市场的需求，设计出大量立面造型新颖独特的高层建筑，其中转角窗以它室内可视角度开阔，室外立面造型丰富的优点，在建筑设计中广为采用，满足了建筑立面和业主使用功能的要求，但对结构设计带来了难题。在层数较多的高层建筑，转角窗的结构设计问题尤其值得注意。建筑物角部是结构的关键性部位，一般均设置“L”形剪力墙，这种情况下角部构件内力较大，程度不同地都显示出剪力滞后、应力集中、受力复杂等现象。若设置转角窗，就是在角部墙体上开洞，实际上是取消了角部的墙体，代之以角部交叉连梁，这将使角部附近的构件受力更加复杂，对结构抗震更加不利。

3.1 转角窗上过梁的设计方法及构造措施

结构分析一般采用目前国内流行的建科院编制的TAT，SATWE 计算软件，对不落地窗结构，如按普通剪力墙开洞方法:先在平面周边布墙，然后在拐角处开洞，将过梁按连梁对待，这种方法看起来似乎严格按实际情况输入程序进行计算，但由于程序本身的缺陷，使拐角处自动产生一个小于150mm 的短肢剪力墙，平面模型上反映不出来，要观察立面模型才可以发现，容易疏忽。这个小墙肢作为角窗挑梁自由端一个支点。这与实际情况不符，加上由于该构件太小，是一个超筋构件。结构一受力，即产生破坏给整体计算带来混乱，因而是不可取的。所以对转角窗上连梁应按普通框架梁考虑，梁高按实际输入。

在对转角梁进行电算时，转角梁的负弯矩调幅系数、扭矩折减系数均应取1.0，不能有折减系数。角窗过梁的计算简图，可取一端简支，一端固定。但严格来讲，过梁设计要依据电算结果再做适当调整，才可用于实际工程，这就需要电算和手算相结合。以电算为参考，用手算复核，手算时考虑到地震作用下过梁的简支端的简支作用可能失效，因此，固端弯矩可取1/2ql2。同理，跨中弯矩是查计算表按9/128q12弹性计算，习惯上也近似取1/11q12这不是简单的简化，而是过梁在实际工作时内部可能存在调幅，致使固端弯矩有部分向跨中转移，从而加大了跨中弯矩。同时，适当加强梁底配筋，可有效防止挠度过大的超限。一般构造上不应小于2Ф20。其次，还有一个必须注意的问题是:设置了转角窗后，对结构角部承载能力做了较大的削弱，过梁不但承受墙、窗的竖向荷载，还要肩负另一重任:(l)承受垂直方向过梁对本梁产生的扭矩;(2)抵抗因结构平面周边扭转应力对过梁产生的侧向弯矩;(3)抵抗因室内外温差引起的侧向温度应力产生的弯拒。因此，过梁两侧配置足够的构造腰筋是相当必要的。一般钢筋直径同墙体水平筋，构造钢筋配筋量按下式计算 :As=0.2bhw(式中b，hw为梁的截面宽度与腹板高度)转角梁不同于一般梁，也不同于剪力墙之间的连梁，它是一根整体折梁。当转角两端梁长相等时，该梁具有较多的悬臂梁工作性质，当梁长相差较大时，较短梁的梁端将在一定程度上对较长梁起着弹性支承的作用。在配筋方面，梁的主要钢筋最小值(上部纵向受力钢筋)不宜按一般梁考虑(取0.2 和 45ft/fy 中的较大值)，而宜根据不同的抗震等级及混凝强度等级参考框架梁支座配筋率确定。转角梁上筋宜为一根带90 度弯角的L 形钢筋，两端锚入墙内长度laE 如在相交点处断开由两根钢筋连接组成，则宜采用机械连接或焊接连接。

3.2 与转角窗相连剪力墙暗柱的设计方法及构造措施

转角窗相连处的剪力墙，其墙肢内端暗柱在首层柱根部弯矩会很大，这是由于挑梁根部弯矩层层叠加下传至首层暗柱根部时累计的结果。此时，暗柱长度不能再按1.5～2 倍墙厚取值。可以把角窗处的墙肢假象为普通柱。为了抵抗很大的根部弯矩，必须把柱内受拉钢筋配置在较大范围之内。这个范围就是此时剪力墙墙肢内暗柱的长度范围，一般构造上取600mm。

另外，如果与角窗相连的墙肢宽度过短时，可能会出现抗弯不足的情况，此时应该通过增加墙厚，加大不利墙肢断面的办法，加强墙肢的抗弯能力。

3.3 转角窗处板内暗拉梁的设计方法及构造措施

转角窗处楼板处于房屋外角边缘，其外角边界是由梁支承而不是墙支承，且扭转刚度较差。故在墙肢端点处宜设置与楼板等厚度的暗梁，梁宽0.5～1.0m。暗梁的配筋宜上下相同，配筋率不宜低于0.2 和45ft/fy 中的较大值，并宜配置箍筋，宜不小于Ф6～Ф18@200～250mm，如楼板厚度不够150mm，没有条件在板内设置暗梁时，应沿斜向配置6Ф16(600 宽范围内)下部钢筋，均锚入角窗相连墙端暗柱内，近似等代拉梁。转角窗处楼板厚度应按房间四边尺寸大小经计算确定，宜适当加厚(在140～150mm 之间)。楼板配筋也应适当加强，宜采用双层双向Ф12@150～Ф14@150，并宜直通伸人相邻房间板内适当长度，板的配筋率不宜小0.25-0.3%。

[1]中国建筑科学研究院PKPMCAD.SATWE 用户手册及技术条件，2008.

[2]建筑抗震设计规范(GB50011-2001).中国建筑工业出版社，2002.

[3]混凝土结构设计规范(GB50010-2002).中国建筑工业出版社，2002.

[4]高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2002).中国建筑工业出版社，2002.

[5]建筑结构荷载规范(GB5O009-2001).中国建筑工业出版社，2002.