高层建筑混凝土剪力墙的结构设计探究

于友江

【摘 要】随着我国社会经济的飞速发展和城市化建设进程的加快，尤其是高层建筑的与日俱增和社会对抗震要求的逐渐重视，混凝土剪力墙结构在民用建筑尤其是高层建筑中已经得到了越来越广泛的应用。本文针对高层建筑混凝土剪力墙的结构设计进行了浅要的分析。

【关键词】高层建筑；混凝土剪力墙；结构设计

【Abstract】With China's rapid socio-economic development and the accelerated process of urbanization， especially in the growing high-rise buildings and the community's increasing emphasis on seismic requirements， the concrete wall structure， especially in civil construction high-rise buildings has been more wide range of applications. In this paper， the structure of concrete shear wall high-rise building design of the light to the analysis.

【Key words】High-rise buildings；Concrete shear wall；Design

1. 引言：

随着我国社会经济的飞速发展和城市化建设进程的加快，尤其是高层建筑的与日俱增和社会对抗震要求的逐渐重视，混凝土剪力墙结构在民用建筑尤其是高层建筑中已经得到了越来越广泛的应用。与框架结构相比，剪力墙结构更为宽敞、简洁，不仅增加了使用面积，而且使用功能也更好，并能为住户的自行改造提供足够的灵活性。同时，剪力墙用钢量较省，整体性好，结构刚度大，而且可以在高层住宅或宾馆等居住型的建筑中，将居室或客房采用分隔墙来分为小间，此过程中通过将分隔墙与承重墙合二为一，因此相对来说也比较经济。本文针对高层建筑混凝土剪力墙的结构设计进行了浅要的分析。

2. 高层建筑结构的受力分析

建筑结构通常主要是受到来自于垂直与横向两个方向的外力。多层建筑由于其高宽比较小，平面的尺寸较大，结构的高度较低，并且结构受到地震作用和风荷载作用也很小，因此在多层建筑的设计中主要是考虑如何来抵抗其垂直的荷载。然而随着建筑物高度的不断增加，其受力特点也同样在逐步地产生变化，而在设计时则主要考虑垂直荷载、横向荷载、结构展延性以及侧向移动等方面。

2.1 垂直荷载。

通常高层建筑物的垂直荷载都较大，并会在柱中产生相当的垂直应力，以此来影响连续框架梁的弯矩，而且同时还会影响预制构件的下料长度。所以必须考虑其垂直荷载对其轴向变形的影响，从而对其下料长度作出相应的调整。

2.2 横向荷载。

对于高层建筑来说，其在一定高度范围内的垂直荷载基本上是固定的，但是包括来自地震作用与风荷载作用的横向荷载值，则会随着建筑结构动力特性的区别而导致较大的影响和变化。

2.3 结构延性。

与多层建筑相比，高层建筑的结构在碰到地震作用时，其所发生的变形就会大得多。为了保证建筑在其塑性的变形阶段当中仍能具备较强的变形能力，就必须在结构的设计中采取相应措施来保证其结构展延性。

2.4 侧向移动。

对于结构侧向移动的控制是在高层建筑结构设计中的关键所在。而且随着其建筑高度的逐渐增加，在横向荷载作用下的结构侧移变形就会随其建筑高度的增加而迅速增大。针对高层建筑的这一特征，其在横向荷载的作用下产生的侧移就必须进行严格的控制。

3. 高层建筑混凝土剪力墙的结构设计

高层建筑结构中主要受力的构件包括框架梁、柱、楼板和剪力墙。其中作为垂直构件的混凝土剪力墙是其提供结构刚度的第一构件，它在高层建筑当中承受结构的绝大部分横向荷载和垂直荷载。而当高层建筑的受力结构主体全部由剪力墙构件来构成时，就形成了通常所说的剪力墙结构。在剪力墙结构中单肢的剪力墙承担了所有的横向荷载和垂直荷载。混凝土剪力墙结构是一种较为优良的结构体系，属于刚性结构，其刚度和强度都比较高并且具备一定的展延性，传力也均匀直接，有不错的抗倒塌能力和较高的整体性。高层建筑混凝土剪力墙的结构设计应从下述几个方面来考虑。

3.1 合理的结构布置。

所有民用建筑的结构布置都应尽可能遵循简洁、规则的原则，保证结构的质心与刚心相一致，而对于剪力墙结构来说，剪力墙的方案布置、墙肢的长短等均应合理。因为底部框架——剪力墙结构中的剪力墙属于低矮墙，且其抗剪刚度相对较大，所以如果平面形式复杂、布置的墙肢较长，就很容易出现受力过于集中、局部刚度过大的现象，甚至往往出现只布置极少的剪力墙就能满足上下层的抗侧刚度比限值的情况。所以在剪力墙布置方案上必须要坚持对称、均匀、周边、分散的原则，且墙片不宜过长，墙片平面形式也不宜采用增强抗侧刚度的“T”、“L”等平面形式，而应尽可能采用“一”字平面形式。同时还应控制好剪力墙的最大间距，以满足规范的要求。纵向剪力墙还应在外纵轴布置好开窗洞的剪力墙，这样就能大大增强其横向抗倾覆的能力，以避免边柱产生过大的拉力和压力。

3.2 建筑高度和层数要求。

根据资料和研究证明，随着楼层数的增加，剪力墙结构的震害将会加剧，所以规范对于结构形式为剪力墙结构的建筑物的高度和层数有着严格的限值要求。其中的建筑高度指的是从室外地面至檐口或者屋面板板面的高度，对于半地下室结构则从室内地面算起，而对于全地下室或者嵌固条件较好的半地下室则仍然应从其室外地面算起。对于那些带阁楼的坡屋顶则应算至山墙的半高处。

3.3 抗震要求。

根据历史上地震的记录及其分析研究，之所以底层框架——剪力墙结构会产生严重的破坏，究其原因就在于其上部刚度和底层刚度之比太过于悬殊。因而导致当地震集中作用到底层时，就会因为底层刚度较上部结构要小得多而造成底层弹塑性的明显且突出的集中变形的现象。所以控制上部刚度和底层刚度之比是非常关键的。对于不同的抗震设防烈度，抗震要求也有一定的区别。

3.4 底层框架柱布置。

如果剪力墙结构的底层是全框架的结构形式，那么在其内柱X、Y向轴线的砌体墙中均应设置构造柱或者框架柱，且其底部全框架结构的柱距不宜太大，一般要求控制在到八米以内，而且每根框架梁上最多只能设置一道非落地的剪力墙。从使用功能来讲，通常底部全框架结构的民用建筑大部分为商住楼，而该跨对应的上部结构即可分割成两个开间，无论上部结构是用作办公还是住宅，该跨所对应的上部结构开间的尺寸都能够达到填充砌体结构所能达到的功能，以此来控制每根框架梁上部仅设置一道非落地墙。与此同时考虑到大框架梁的梁高一般控制在梁跨的八分之一到五分之一，而如果柱距过大，就会使得梁截面及其配筋率出现超限，而且增加上部结构非落地墙的数量也会使这种现象趋于严重。

3.5 过渡层的设计。

对于存在过渡层或者转换层的剪力墙结构，比如底层框架剪力墙结构，其过渡层或者转换层的剪力墙墙体在地震中需要提供的抗倾覆力矩和抗剪切力最大，且其受力也最不利。除此之外，由于在垂直均匀荷载的作用下，过渡层或者转换层的剪力墙墙体处于拉剪或者者压剪的应力状态，而一旦有横向荷载作用时，过渡层或者转换层的剪力墙墙体的横向承载力及其抗裂性能都将相应地降低。根据试验表明，在垂直和反复横向荷载的作用下，过渡层或者转换层的剪力墙墙体的横向承载力大约会降低两到三成。而如果按验算一般墙体横向承载力的方法，当其托梁的高跨比或者者垂直荷载较小时，就将会过高地估计过渡层或者转换层剪力墙的抗震承载力，从而降低结构抗震的安全可靠性。因此过渡层或者转换层应在每开间设置圈梁以及构造柱，以形成类框架体系，从而增强过渡层或者转换层传递地震剪切力的能力，并大大增加其展延性以及耗能能力。

3.6 连梁设计。

剪力墙的连梁是一件耗能构件，因此它的剪切破坏将对抗震不利，并会使结构的延性大大降低。在设计过程中就要注意对连梁进行强剪弱弯的验算，以保证连梁的剪切破坏晚于弯曲破坏。所以切忌人为来加大连梁的纵筋，这样就有可能无法满足其强剪弱弯的要求，也不能单纯地认为加大箍筋就一定能保证其强剪弱弯的要求。因为当连梁不能满足其截面控制条件时，一味盲目地增加箍筋必然会导致连梁在其箍筋还未充分发挥作用时就发生剪切破坏。而连梁截面的抗剪计算中，对于那些跨高比大于2.5的连梁，应注意将其剪力设计值乘以增大系数。

3.7 长墙肢的处理。

高层建筑剪力墙的结构还必须具备足够的展延性，特别是对于呈高细形状的剪力墙（即高宽比超过二）而言，就具有较好的展延性和弯曲破坏的属性，从而能够很好地避免发生脆性剪切破坏。然而在墙肢长度比较长的情况中，为了满足其每个墙段的高宽比都超过二，就可以采取开洞的方式来将长墙分割成为独立的、小而均匀的墙段。此外，当其墙段的长度较小时，因受弯而导致产生裂缝的宽度也比较小，这样就可以充分地发挥出剪力墙墙体配筋的作用。另外对于剪力墙结构当中存在的不多的长度超过八米的剪力墙长墙肢而言，在理论计算当中其楼层的剪力绝大部分都是由这些剪力墙的长墙肢来承担。因此在发生地震尤其是超烈度的强震时，这些长墙肢就是最容易遭到破坏的。而短墙肢则会因没有足够多的配筋，从而使整个墙面的结构遭到全面的破坏。为了避免这种不利的现象发生，因此对于大于八米的长墙肢，可以通过以下两种方法来处理：一方面，采取开施工洞，也就是在施工的过程当中于墙上留洞，而混凝土结构完成时再砌筑填充墙体，从而将长墙肢分隔成为短墙肢。第二，采取开计算洞，也就是在进行结构设计PK计算的过程中假设有洞，而在绘制施工图时却不留洞，从而通过这种特殊的计算方式来加强其它的短墙肢的配筋。对于这种方法而言一般适合用作地下室外墙等不允许开施工洞的长墙肢。

4. 结语

只有合理的结构体系才能保证建筑结构的经济性和安全性，因此设计人员应当遵循规范的要求以及甲方的需要，来选择合理的结构体系。而在剪力墙结构设计中，整个体系的剪力墙布置和调整过程就是一个逐步优化的过程，直到按照周边均匀对称的原则将结构体系的位移与刚度趋于最合理，才能使材料发挥最大的效能。其中的连梁作用不可忽视，其刚度将直接影响整个剪力墙结构的整体刚度。尤其不可盲目增大某一个或几个构件的刚度，以至于造成薄弱位置转移甚至产生新的薄弱部位。

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[文章编号]1619-2737（2015）07-12-081