连体高层剪力墙受力特点和设计原则分析

崔涛

【摘要】连体高层建筑的结构设计变得日趋复杂，框架、剪力墙、框一剪、筒体等已变成当前建筑设计中的主要结构形式，笔者就高层建筑剪力墙受力特点和结构设计问题作出如下探讨。

【关键词】连体高层建筑；剪力墙； 结构设计お

随着人们对住宅，特别是连体高层住宅平面与空间的要求越来越高，普通框架结构和框架——剪力墙的露柱构件对建筑空问的严格限定与分隔已不能满足人们对住宅空间使用和立面美观的要求。纯剪力墙结构既可以保证结构安全可靠性，又可以使室内空间合理墙面平整，所以连体高层建筑结构中便越来越多地采用剪力墙结构，剪力墙的受力、变形特征，类似于框剪结构，但比框剪结构的刚度分配、内力分配更合理，结构的变形协调导致的竖向位移差别，也比框剪结构小，传基础荷载更均匀、合理。这样的结构形式能使建筑取得较好的经济效果和建筑功能效果。

1. 高层建筑结构设计特点

随着城市人口的增长，大规模的城市高层建筑越来越多。高层建筑在结构设计上有着以下共同特征：

（1）水平荷载成为决定因素。

（2）轴向变形不容忽视。

（3）侧移成为控制指标。

（4）结构延性是重要设计指标。伴随着这些设计特点逐步发展形成了能适应人们新的住宅观念的高层住宅结构形式，即“短肢剪力墙结构”形式。短肢剪力墙结构是指墙肢的长度为厚度的5～8倍的剪力墙结构，常用的有“T”形、“L”形、“十”形 、“Z”形、 折线形、“一”字形。

2. 高层建筑冀力墙结构设计计算原则

剪力墙结构设计时，应根据规范要求综合考察结构是否合理，就结构设计中的几个重要技术指标调整原则简述如下。

2.1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），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。

2.2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。《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5～6之间时，若连梁刚度不折减则也容易出现剪力或弯矩超限。该条文若能在实际工程设计中充分利用，则对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（刚度需折减）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，能节省工程投资。

2.3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，可不扣除结构整体弯曲变形，应计入扭转变形。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，同样不能满足层问位移的要求。因此，对于高层建筑应尽可能使扭转变形最小，而不能仅根据层问位移不够不加分析地增加竖向构件的刚度。

3. 剪力墙结构设计建议

3.1剪力墙合理定位剪力墙结构中，剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置；抗震设计的剪力墙结构，应避免仅单向有墙的结构布置形式。对一般的矩形、L形、T形等平面宜沿两个轴线方向布置；对三角形、Y形平面宜沿三个轴线方向布置，对正多边形，圆形及弧形平面可沿径向及环向布置。剪力墙的平面布置应尽可能均匀、对称，尽量使结构的刚度中心和质量中心重合，以减少扭矩。内外剪力墙应尽量拉通、对直。

剪力墙墙肢截面宜简单、规则。剪力墙的抗侧力刚度不宜过大。为充分发挥剪力墙的抗侧力刚度和承载能力，增大剪力墙可利用空间，剪力墙的间距不宜太密，使结构具有适宜的侧向刚度。如何判断结构的侧向刚度是否适宜，剪力墙数量是否合适呢？规则结构周期的经验公式：T1=（0.05～0.06n，n为结构层数。

3.2剪力墙厚度确定《高规》中对剪力墙的截面尺寸有着详细的规定，对于设计8度区的三级抗震剪力墙的规定：按二级抗震等级设计的剪力墙的截面厚度，底部加强部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/16，且不应小于200mm，其他部位不应小于层高或剪力墙的1/20，且不应小于160mm。如某设计中的11层小高层住宅，层高3m，剪力墙无支长度>3m，1/16为188mm，1/20为150mm。因此就是说剪力墙最小厚度为200mm，于是可确定墙体均为200mm的原则。

3.3剪力墙墙身钢筋的分布及构造要求《高规》中规定一般剪力墙竖向和水平分布筋的配筋率，在一、二、三缀抗震下设计时不应低于0.25%，而对于四级抗震设计和非抗震设计时则不应低于20%。按照这一原则，位于9度区的一级抗震剪力墙，墙身分布钢筋配筋率必须大于0.25%。同时应注意这个配筋率是指：“水平配筋率+垂直配筋率”的总称，具体在《混凝土结构设计规范》中也有具体条款规定。

3.4剪力墙中大墙肢的处理剪力墙结构应具有延性，细高的剪力墙（高宽比大于2）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。当墙的长度很长时，为了满足每个墙段高宽比大于2的要求，可通过开设洞口将长墙分成长度较小、较均匀的墙段。洞口连粱宜采用弱连梁（跨高比大于6），使其可近似认为分成了独立墙段。此外，墙段长度小时，受弯产生的裂缝宽度较小，墙体的配筋能够较充分地发挥作用。而对于剪力墙结构中，有少量长度大于8m的大墙肢，计算中楼层剪力主要由这些大墙肢承受。其他小的墙肢承受的剪力很小，一旦地震，尤其超烈度地震时，大墙肢容易首先遭受破坏，而小的墙肢又无足够配筋，使整个结构形成各个击破，这是极不利的。当墙肢长度超过8m时。有两种处理方法：开施工洞或开计算洞。开施工洞，即在施工时墙上留洞，完工时砌填填充墙，把长墙肢分成短墙肢。开计算洞，即结构计算时设有洞，施工时仍为混凝土墙，这样计算，可使其它小墙肢的配筋得到加强。适用于地下室外墙等，不能开施工洞的位置。

3.5剪力墙连梁超筋的处理剪力墙结构设计中连梁超筋是一种常见现象。连梁的超筋，实质是剪力不满足剪压比要求。连粱易超筋的部位，一般剪力墙结构中，在总高度的1/3左右的楼层；平面中当墙段较长时，多在其中部的连梁；某墙段中墙肢截面高度大小悬殊不均匀时，在墙肢处连粱易超筋。剪力墙连梁对剪切变形十分敏感，当剪力墙连梁不满足连梁的尺寸要求时，《高规》处理方法：ィ1）减小连梁的截面高度。ィ2）抗震设计的剪力墙中连梁弯矩及剪力可进行塑性调幅。ィ3）当连梁破坏对承受竖向荷载无明显影响时，可考虑在大震作用下该连梁不参与工作，按独立墙肢进行第二次多遇地震作用下结构内力分析，墙肢应按两次计算所得的较大内力进行配筋计算。

当第1、2种措施不能解决问题时，可采用第3种措施来处理，即假定连梁在大震下破坏，不再约束墙肢。另外，可在易超筋的部位，连梁按铰接处理进行整体计算，但应注意结构层间位移比尚需满足规范要求。

4. 结语

高层剪力墙结构因其抗侧刚度大，能有效地减少侧移，且具有较好的抗震性能，因而被广泛应用于多层和连体高层钢筋混凝土建筑中。因此掌握剪力墙结构受力特点，运用剪力墙结构设计的基本原则，建筑设计就会更加安全、实用、可靠、经济。

参考文献

[1]杨建国.论建筑结构设计中的概念设计[J].山西建筑，2007，33：15.

[2]王法武.高层框架及剪力墙结构的侧移优化设计[J].工业建筑，2006，6.