关于高层建筑剪力墙结构设计分析与应用
关键词：高层住宅,剪力墙,结构设计
1 剪力墙的特点及分类
剪力墙能较好的抵抗水平荷载。《建筑抗震设计规范》将其称为抗震墙。剪力墙能有效抵抗水平荷载，具有以下主要特点：
(1)抗侧刚度大，侧移小;(2)室内墙面平整;(3)结构自重大，吸收地震能量大;(4)施工较麻烦，造价较高。剪力墙根据是否开洞和开洞大小，可以分为如下四类：
①实体墙：不开洞或开洞面积不大于15%的墙。受力特点：如一个整体的悬臂墙。在整个高度上，弯矩图既不突变，也无反弯点，变形以弯曲型为主。
②整体小开口剪力墙：开洞面积大于15%但仍较小的墙。受力特点：弯矩图在连梁处突变，在整个墙胺高度上没有或仅仅在个别楼层才发生反弯点。
③)双肢或多肢剪力墙：开洞比较大或洞口成列布置的墙。受力特点与整体小开口墙相似。
④壁式框架：洞口尺寸大，连梁线刚度与墙肢线刚度相近的墙。受力特点：弯矩图在楼层处发生突变，而且在大多数楼层中都出现反弯点。
2剪力墙设计中的基本概念
(1)剪力墙高和宽尺寸较大，但厚度较小，几何特征像板，受力形态接近于柱，而与柱的区别主要是其肢长与厚度的比值，当比值≤3时可按柱设计，当比值在3到5之间时可视为异形柱，按双向受压构件设计。
(2)剪力墙结构中，墙是一平面构件，它承受沿其平面作用的水平剪力和弯矩外，还承担竖向压力;在轴力、弯矩、剪力的复合状态下工作，其受水平力作用下似一底部嵌固于基础上的悬臂深梁。在地震作用或风载下剪力墙除需满足刚度强度要求外，还必须满足非弹性变形反复循环下的延性、能量耗散和控制结构裂而不倒的要求，墙肢必须能防止墙体发生脆性剪切破坏，因此，应注意尽量将剪力墙设计成延性弯曲型。
(3)剪力墙的特点是平面内刚度及承载力大，而平面外刚度及承载力都相对很小。当剪力墙与平面外方向的梁连接时，会造成墙肢平面外弯矩，而一般情况下并不验算墙的平面外刚度及承载力。因此应尽量避免平面外搭接，实在避免不了时应按规范采取相应措施，以保证剪力墙平面外安全。
(4)墙的设计计算是考虑水平和竖向作用下进行结构整体分析，求得内力后按偏压或偏拉进行正截面承载力和斜截面受剪承载力验算。当受较大集中荷载作用时再增加对局部受压承载力验算。在剪力墙承载力计算中，对带翼墙的计算宽度按以下情况取小值：①剪力墙之间的间距;②门窗洞口之间的翼缘宽度;③墙肢总高度的1/10;④剪力墙厚度加两侧翼墙厚度各6倍的长度。
3工程实例设计分析
3.1工程概况及设计
某小区26层剪力墙住宅楼，总建筑面积约17143.4m2，建筑层高2.9m，建筑高度76.6m。
3.2设计数据
结构设计使用年限：五十年;建筑抗震设防类别：丙类建筑;建筑结构安全等级：二级;地基基础设计等级：乙级;地下工程防水等级：二级;地下防水混凝土设计抗渗等级：P6 级结构抗震等级：1)上部高层采用钢筋混凝土剪力墙结构，框架抗震等级为四级，剪力墙抗震等级为四级;2)地下室框架、剪力墙抗震等级均为抗震等级四级。砌体施工质量控制等级： B 级;钢筋砼结构裂缝控制等级为三级，最大裂缝宽度对于一类环境类别(如上部结构)不大于0.3 ㎜、二类环境(如地下室、水池)为0.2 ㎜。
3.3结构平面布置
结构平面布置考虑有利于抵抗水平和竖向荷载，受力明确，传力直接，尽量均匀对称，减少扭转的影响，建筑平面力求简单规则，以减少震害。一般情况下在层数较多(20层以上)的高层建筑中常采用传统的全现浇剪力墙体系。因为如采用短肢剪力墙体系，就使得结构较柔，结构顶点位移和层间位移不一定能满足规范要求，底部剪力系数也偏低，结构趋于不安全。
3.4结构竖向布置
结构竖向布置方面，该项目高宽比H/B=5，符合抗震规范剪力墙结构6度设防小于6的要求。在抗震设计中要求结构承载力和刚度宜自下而上逐渐减小，变化均匀、连续，不要突变。该工程平面在竖向上没有大的内收外挑情况，平面从底至顶一致。竖向刚度的变化主要表现在分段改变构件截面尺寸和混凝土强度等级，从施工方便来说，改变次数不宜太多;但从结构受力角度来看改变次数太少，每次变化太大又容易产生刚度的突变。
4 剪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，比如说剪力墙结构刚度不宜过大，应以规范规定的楼层最小剪力系数为目标，使计算结果接近规范限值(不小于限值)，同时要使楼层层间最大位移与层高之比满足规范限值。其次，考察剪力墙底部加强区的轴压比是否满足(对抗震等级为一、二级的剪力墙)，剪力墙连梁是否超限等。要控制好结构扭转为主的第一自振周期Tt 与平动为主的第一自振周期T1 之比，A 级高度的剪力墙结构不应大于0.9，B 级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于0.85;在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A 级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2 倍，不应大于该楼层平均值的1.5 倍;B 级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2 倍，不应大于该楼层平均值的1.4倍。一般情况情况宜控制在1.2 左右，特别不规则平面也宜控制在1.4 以内。
5、主要计算结果
6剪力墙结构的设计要点
高层建筑最主要的受力构件包括剪力墙、框架柱、梁和楼板。而剪力墙作为竖向构件是形成结构抗侧力刚度的最主要构件，它承受沿其平面作用的水平剪力和弯矩外，还承担竖向压力;在轴力、弯矩、剪力的复合状态下工作，其受水平作用下似一底部嵌固于基础上的悬臂深梁。在地震作用或风载下剪力墙除需满足刚度强度要求外，还需满足非弹性变形反复循环下的延性、能量耗散和控制结构裂而不倒的要求，墙肢必须能防止墙体发生脆性剪切破坏。剪力墙结构的设计应从以下几个方面考虑：
6.1 选择有利的建筑形式，在抗震设计中，建筑平面应尽可能简洁、规则，结构的刚心与质心相一致，以减少地震作用下结构产生的扭转效应。剪力墙的方案布置、墙量的多少、墙片的大小应合理。由于底部框墙结构中的剪力墙属低矮墙，其抗剪刚度相对较大，如果布置的墙肢较长、平面形式复杂，很容易出现局部刚度过大，受力过于集中的现象，甚至经常出现只布置极少的剪力墙就满足上下层抗侧刚度比限值的情况。因此在剪力墙布置方案上一定要坚持均匀、对称、周边、分散的原则，墙片不宜过长，应以墙片高宽比1.5 左右为为宜，墙片平面形式不宜采用提高抗侧刚度的“L ”“T ”等平面形式，而是尽可能采用“一”字形。这是因为只有弱化每一单片剪力墙的刚度，才有可能实现均匀分散多道设防的目标。同时还应控制剪力墙的最大间距，以期符合规范的要求。纵向抗震墙还应在外纵轴布置开窗洞的抗震墙或剪力墙，这样大大增强横向抗倾覆的能力，避免边柱产生过大的压力和拉力。
6.2 结构的最大高宽比
A 级高度——非抗震、6 度、7 度、8 度、9 度抗震时，分别为6、6、6、5、4 B 级高度——非抗震、6 度、7 度、8 度抗震时，分别为8、7、7、6
① 质量与刚度分布明显不对称、不均匀的结构，应计算双向水平地震作用下的扭转影响;其他情况，应计算单向水平地震作用的扭转影响
②考虑非承重墙的刚度影响，结构自振周期折减系数取值0.9～1.0
③水平位移验算： 多遇地震作用下的最大层间位移角≤ 罕遇地震作用下的薄弱层层间弹塑性位移角≤ 1/120
④舒适度要求： 高度超过150m 的高层建筑，按10 年一遇的风荷载取值计算的顺风向与横风向结构顶点的最大加速度限值为：住宅、公寓0.15 m/s2，办公、旅馆0.25 m/s2。
7剪力墙结构的厚度和配筋问题
(1)根据抗震规范6.1.2条规定，8度地震区剪力墙结构的抗震等级至少应为二级：按6.4.1条要求剪力墙底部加强部位墙厚一、二级抗震等级时≥200mm，且≥层高的1/16，其他部位≥160ram，当墙端头无翼墙或暗柱时≥层高的1/12。以上规定目的是为防止因墙体平面外刚度过小，稳定性差，容易在偏心荷载作用下压屈失稳，但这些规定对于8度地震区的多层及低高层剪力墙结构显得不够合理。例如5一15层的剪力墙结构，一般墙肢在重力荷载代表值作用下轴压比都小于0.2，电算结果墙体往往只需要构造配筋，但只因底部功能要求层高3.54.2m时，则墙厚需要320—350ram，显然不合理。所以，像这样特殊情况的低多层建筑不应要求死扣规范，而通过采用概念设计分析，控制墙肢轴压比，进行墙体截面条件、强度和稳定性验算并在构造上适当加强暗柱或配筋，保证其整体性连接等措施，是可以使墙厚减小的。(2)墙体的配筋率。目前在<砼规>11.7.1l条文强制规定在一、二、三级抗震等级的剪力墙中，竖向和水平分布筋的最小配筋率均≥0.25%;部分框支剪力墙底部加强部位的配筋率≥0.3%;这配筋率比其在20世纪80年代前的配筋率0.07%～0.1%要大多了，和国外的配筋率0.1%一0.25%的高者基本接轨，这在高层或者较长的剪力墙结构中应该是合理的，但对于低矮、短小的剪力墙值得探讨.墙的水平分布筋是为横向抗剪以防止墙体在斜裂缝出现后发生脆性剪切破坏，同时起到抵抗温度应力防止砼出现裂缝，设计中当建筑物较高、较长或框剪结构时配筋宜适当增加，特别在连梁部位或温度、刚度变化等敏感部位宜适当增加。但对于矮、短的房屋，其水平筋的配筋率是否适当减小值得探讨。
8、结语
综合上述案例可知, 关于高层住宅建筑中剪力墙结构的设计,文章主要从剪力墙结构的布置、计算分析、构造要求及结构设计中应注意的问题这几个方面进行论述。目前,随着高层建筑的逐渐发展和人们对住宅使用功能要求的逐步提高,由于剪力墙结构可以灵活布置,可落地也可带转换层,房间内不会出现露梁露柱的现象,且剪力墙的抗震性能也优于异形柱剪力墙结构,因此在设计中根据其受力的特点,充分掌握和了解其受力特点和破坏机理后,并选择合理的布置形式,正确掌握计算分析方法,它将在多、高层的住宅中有着广阔的发展前景。
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