结构设计中剪力墙结构的设计研究

张岩

关键高层结构；剪力墙；受力；设计

一、引言

随着人们对住宅，特别是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—剪力墙的件对建筑空间的严格限定与分隔己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的安全可靠性，又可以使室内空间合理墙面平整，所以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，但比框架结构的刚度分配、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。基于这种情况，本文将浅谈高层剪力墙结构受力特点和设计的若干建议。

1结构布置

1. 1剪力墙布置

在高层剪力墙住宅建筑标准层单位面积含钢量中，剪力墙墙身用钢量约占45%一65% ，剪力墙边缘构件用钢量约占30%一50%，因此剪力墙布置的优劣直接关系到整个结构的经济指标剪力墙布置的基本原则是：尽量减少剪力墙数量，且各墙肢布置时应考虑如何减少边缘构件，以期通过布置较少的抗侧力构件获得满足规范要求的抗侧抗扭刚度度具体措施如下：

（1）强周边，弱中部

剪力墙尽可能布置在结构周边外围护墙位置，必要时可利用房间窗台设置高连梁以加强刚度在结构中部宜减少剪力墙的布置量（如中部楼电梯间附近），以便于提高主体结构的抗扭刚度，控制结构的周期比与位移比，同时有利于建筑外墙防水

（2）多均匀长墙，少短墙

在保证竖向及水平承重情况下，要精心选择对结构承受水平及竖向荷载有利的隔墙位置设置剪力墙，尽量拉大剪力墙的布置间距，避免在较小的间距内布置多道剪力墙通过加长剪力墙墙肢长度，减少剪力墙数量，使结构整体抗侧刚度增加，边缘构件数量减少，且由于墙间距拉大，增加了建筑平面布置灵活性。

为了使剪力墙实现弯曲破坏的延性破坏模式，《高层建筑混凝土结构技术规程》简称高规，规定墙长不宜大于8m实际上影响剪力墙破坏模式的两个主要因素是剪跨比和轴压比，只要剪跨比大于2，且轴压比满足规范限值，能够实现延性的弯曲破坏对高层剪力墙，即便是墙长大于8m，剪跨比一般也会大于2，即能满足延性破坏的需求但需要注意的是，在一个结构单元中，布置剪力墙时应避免个别墙肢为长墙如果个别墙肢较长而其余墙肢较短时，长墙肢承担总地震力的份额会较大，当其在超过设防地震的作用下首先发生破坏时，其余结构不能起到第一道抗震防线的作用，可能导致结构因个别长墙的破坏而发生连续倒塌所以在高层剪力墙结构中，长墙的脆性破坏不是主要的，内力集中的不良后果反倒应引起足够重视一般来讲可通过在长墙中部设置洞口弱连梁方式分为两个短墙肢，但对于限额设计的项目来讲设置洞口会增加暗柱数量及施工难度从而增加工程成本

二、剪力墙结构的受力特点

剪力墙结构是由一系列纵向、横向剪力墙及楼盖所组成的空间结构，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、横向剪力墙在其自身平面内的刚度都很大，在水平荷载作用下，侧移较小；因此这种结构抗震及抗风性能都较强，承载力要求也比较容易满足，适宜于建造层数较多的高层建筑。一般剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比大于8的剪力墙；短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5：8的剪力墙剪力墙主要承受两类荷载：一类是楼板传来的竖向荷载，在地震区还应包括竖向地震作用的影响；另一类是水平荷载，包括水平风荷载和水平地震作用。剪力墙的内力分析包括竖向荷载作用下的内力分析和水平荷载作用下的内力分析。在竖向荷载作用下，各片剪力墻所受的内力比较简单，可按照材料力学原理进行。在水平荷载作用下，剪力墙的内力和位移计算则比较复杂。理论分析和试验研究表明，在水平荷载作用下剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙上的开洞情况。洞口是否存在，洞口的大小、形状及位置的不同都将影响剪力墙的受力性能。剪力墙按受力特性的不同主要可分为整体剪力墙、不开口整体剪力墙、双肢墙（多肢墙）和壁式框架等几种类型。不同类型的剪力墙，其相应的受力特点、计算简图和计算方法也不相同，计算其内力和位移时则需采用相应的计算方法。整体剪力墙如一根悬臂杆件，在墙肢整个高度方向上，弯矩图既不发生突变又不出现反弯点，变形曲线以弯曲型为主；不开口墙与双、多肢剪力墙，在连梁高度处的墙肢弯矩有突变，但在整个墙肢的高度方向上，它没有或仅仅在

个别楼层才出现反弯点，剪力墙的变形曲线依然以弯曲型为主。总之，剪力墙的受力需具体情况具体分析，应按能反映其性态的结构体系计算。

三、剪力墙设计的建议

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。剪力墙墙肢截面宜简单、规则。剪力墙结构的侧向刚度不宜过大。遵循这样的规范原则，剪力墙的布置： 遵循均匀、分散、对称和周边的原则。剪力墙应沿房屋纵横两个方向布置，剪力墙宜布置在房屋的端部附近、平面形状变化处、恒荷载较大处以及楼梯处。在平面布置上尽可能均匀、对称，以减小结构扭转；不能对称时，应使结构的刚度中心和质量中心接近，在竖向布置上应贯通房屋全高，使结构上下刚度连续、均匀。可布置成单片形，洞口布置在截面中部，避免布置在剪力墙端部或柱边。高层建筑结构不应采用全部短肢剪力墙的剪力墙结构；短肢剪力墙较多时，应布置筒体（或一般剪力墙），形成短肢剪力墙

与筒体（或一般剪力墙）共同抵抗水平力的剪力墙结构。如果在剪力墙结构中，只有个别小墙肢，不应看成剪力墙结构而应作为一般剪力墙结构处理。剪力墙的间距为了保证楼（屋）盖的侧向刚度，避免水平荷载作用下楼盖平面内弯曲变形，应控制剪力墙的最大间距。剪力墙的数量与结构体型、高度等有关。从抗震性考虑，在一定范围内数量越多越好；从经济性考虑，数量太多会使结构刚度和自重很大，地震力和材料用量增大，造价提高，基础设计困难。因此，剪力墙的数量应适宜，只需满足侧向变形的限值即可（剪力墙的数量：规范要求剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的百分之五十。因为在地震时全靠剪力墙抵抗地震剪力，建筑结构设计时成片的剪力墙最好对称布置，遵循“均匀、对称、周边、分散”的原则，以取得比较理想的设计效果。

四、结语

随着社会的发展、经济水平的提高，高层建筑将如雨后春笋般出现，剪力墙结构因其抗侧刚度大，能有效地减少侧移，目具有较好的抗震性能，因而被广泛应用于多层和高层钢筋混凝土建筑中。所以，掌握好剪力墙结构受力特点，把握好剪力墙结构设计的基本原则，建筑的结构设计就会更加安全、适用、可靠、经济