分析建筑结构设计中的剪力墙结构设计

李杰 邹明

摘 要：城市离不开建筑，建筑又可美化城市，甚至是某些城市的地标建筑，譬如上海金茂大厦、东方明珠等都是上海这座国际大都市的标志。因此它们之间是相互依赖、相互生存。现如今，土地资源的稀缺，高层建筑已成为城市建筑的主体、地域生活的主流，也是当代建筑发展趋势。随着人们生活水平的不断提高，对居住舒适性要求也相应的提高，特别是对住宅平面的要求越来越高。由于剪力墙结构墙肢厚度可与填充墙厚度一致，平面就没有像框架柱向房间内凸出部分，能有效地提高了空间利用率。所以高层住宅中便越来越多的采用剪力墙结构。

关键词：高层住宅；剪力墙结构；连梁

1 建筑结构设计中剪力墙结构概念方案布置

剪力墙结构概念方案布置是剪力墙结构设计的首要前提，方案布置的合理性与否对整个工程造价影响甚大，因此以下对剪力墙结构布置作简要分析。

剪力墙平面布置宜沿两主轴方向双向布置，尽量均匀、对称布置，两主轴方向刚度尽量相近。过于集中布置剪力墙可能导致结构刚度中心与荷载重心偏差较大，从而产生较为严重的扭转效应；过于分散布置剪力墙则会导致刚度分布不均匀及梁板跨度加大，一方面会增加结构自重，加大地震作用效应，从而增加工程造价；另一方面，剪力墙间距过大，以致某片墙承担荷载过大，轴压比加大从而影响剪力墙延性设计。还有结构角部及结构开洞后形成凹凸不规则均属抗震扭转薄弱部位，易产生较大的扭转变形从而导致扭转破坏。因此在考虑剪力墙的平面布置时，应单独对角部及开洞周围进行局部加强。在平面角部尽量布置L 形墙肢，还可采设置端柱及转角部位楼板中设置暗梁等构造措施进行加强，以达到提高其扭转刚度的目的。剪力墙竖向布置宜沿房屋高度通高布置、上下对齐、连续布置，墙厚及墙长沿高度宜均匀变化，以达到竖向刚度逐渐變小，从而能够有效避免竖向刚度发生突变情况。这样既经济又能满足承载力、侧向变形的要求。

因此剪力墙布置的优劣直接关系到整个结构合理性及经济性。现如今结构的经济性已成为结构设计必须考虑的因素。如何在满足安全的前提下，将有限的资源物尽其用，是值得我们结构工程师所思考的问题。所以在剪力墙布置合理前提下尽量经济，节约成本，减少工程造价。对结构的重点、关键部位或计算模型与实际情况有出入部位，至少采用两种不同的结构计算软件进行分析计算，然后进行包络设计且在构造上给予加强。在概念方案布置前期，结构设计师应与建筑师紧密配合，初步确定一个比较合理的布置方案，避免出现不规则或严重不规则的平立面，达到技术先进，安全适用、经济合理的设计方案，实现降低总体造价的目的。

2 建筑结构设计中剪力墙结构受力分析

剪力墙结构设计有着自己的设计规则及原理。由于剪力墙通常情况下高度、宽度要比厚度大很多，因此其何特征像板， 但与板有很大的差别，板是按受弯构件计算，剪力墙是按压弯构件计算。因此在进行其结构设计分析时就需要考虑到其具体的设计差别。此外还包括剪力墙的肢长、墙厚度范围有着自身的特性，因此当墙肢截面高度与厚度之比hw/tw ≤ 4 时，应按框架柱结构设计；当hw/tw>8 时为一般剪力墙；当4 ≤ hw/tw ≤ 8 时短肢剪力墙，这也是剪力墙结构设计的基本原则之一。剪力墙结构是由一系列纵向、横向剪力墙与梁、板所组成的空间结构。其主要承受两类荷载：一类是竖向荷载，竖向荷载主要是梁板传来的恒载、活载、剪力墙身自重及竖向地震作用；另一类是水平荷载，主要为水平风荷载和水平地震作用。剪力墙的内力、变形分析包括承载能力极限状态与正常使用极限状态下分析。在承载能力极限状态下，剪力墙在各种工况下不致破坏，能够安全地承受重力荷载作用。在正常使用极限状态下，结构变形满足规范要求，结构耐久性也满足设计要求。剪力墙的变形主要是弯曲变形，框架结构的变形主要是剪切变形。

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>2，且轴压比不超过规范规定限值，能够实现延性的破坏模式。当剪力墙墙长大于8m 时，尽量在墙中部开洞形成双墙肢，通过弱连梁连接。这样剪跨比一般也会大于2，即能满足延性破坏的需求。在地震作用下通过连梁来耗能，连梁端部首先进入塑性变形，形成塑性铰，这样连梁起到第一道抗震防线的作用。

3 连梁设计

高层住宅剪力墙结构中，由于开间不大或墙长较长时开洞后形成连梁，若两墙肢之间出现跨高比较小的连梁时，在计算过程中，容易产生连梁抗剪超限的情况，通常有以下几种解决方案：①增大截面，可以提高连梁自身的抗剪能力，但随着连梁刚度增加相应内力也增加，其对抗剪能力的提高是有限的。在梁宽一定的情况下，通过加高连梁梁高的方法；在梁高一定的情况下，也可以通过加宽梁宽，加宽截面却对连梁刚度的贡献较小，仅为线性关系，使得抗剪力的提高值仅大于分担剪力的增加值。②调整设计内力，在增大连梁截面对提高抗剪能力没有效果的情况下，可以通过人为的内力调整，对连梁刚度进行折减，控制剪力分配比，解决连梁抗剪问题。最简单的调控方法是在计算参数选取时，调整连梁刚度折减系数，仅对内力配筋计算时才能采用。在整体计算及非地震荷载作用下，连梁刚度不予折减，这时连梁应具备足够的抗弯和抗剪承载能力，以满足正常使用的要求。对于跨高比大于5 的连梁，应按框架梁设计，且必须满足框架梁各项要求。③也可设水平缝形成双连梁、多连梁或采取其他加强受剪承载力的构造措施，譬如设置交叉暗撑等措施来提高连梁抗剪承载力。

4 墙肢长度和厚度的选取

1、墙肢的长度

剪力墙墙肢长度一般不宜大于8m。结构设计中的剪力墙结构应具有延性，细高的剪力墙（高宽比大于2）容易设计中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，为了满足每隔墙段高宽比大于2的要求，可通过开设洞口将长墙分成长度较小、较均匀的联肢墙，洞口连梁宜采用约束弯矩较小的弱连梁（其跨高比宜大于6），使其可近似认为分成了独立墙段。

2、墙肢厚度的选取

规定剪力墙的最小厚度，其主要目的是保证剪力墙出平面的刚度和稳定性能。对短肢剪力墙结构，规定其抗震等级应必表1中规定的抗震等级要高一级采用。故除6度区外，短肢剪力墙的抗震等级至少为一级。对于住宅建筑，填充墙厚一般为200mm，相应剪力墙墙厚也取为200mm。住宅层高一般为2.8～3.0m，故墙厚取200mm，除底层加强区的一字型短肢剪力墙外，均能满足规范要求。

对于无地下室的高层住宅，因其基础埋深一般在2.5m以上，则底层墙体高度会在5.0m以上，若按层高1/16确定墙厚，将超过300mm，大于填充墙厚度。为避免出现这种情况，在布置剪力墙时，应结合建筑平面，尽量不用一字型剪力墙，而采用L、T、Z、十字型等截面形式，且使翼缘长度大于其厚度的3倍，这样一方面墙体抗震性能更好，另一方面墙厚也可取为剪力墙无支长度1/16。由于住宅建筑中剪力墙肢长一般小于3.0m，故厚度采用200mm满足构造要求。

5 结语

随着我国国民经济整体水平的持续提高和建筑结构设计发展速度的持续加快，高层建筑将是现代建筑的主流。剪力墙结构因侧向刚度大，侧向变形小等优点，因而被广泛应用于高层建筑中。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，剪力墙结构设计就会更加经济合理。因此建筑结构设计人员应对剪力墙结构设计原理有着清晰的理解，从而能够在此基础上通过不断设计实践的进行来促进我国建筑工程整体设计水平的有效提高。

参考文献：

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