小议高层剪力墙结构住宅设计
[摘 要] 随着社会经济的发展和人口的增加，城市住宅用地逐年递减，因此高层住宅凭借其既能高效利用土地又可以提升居住环境舒适度的优势迅速发展起来，但是高层住宅也具有劣势，如随着结构层数或高度的增加相应荷载效应的增大，结构的内力和位移也在迅速增加，水平荷载成为控制因素，为了抵抗水平作用力及侧向变形的要求，新的高层住宅结构形式以及相应抗震构造措施也在不断更新发展。本文主要针对在新高规及新抗规背景下高层剪力墙结构住宅设计进行探讨。
[关键词] 高层住宅 剪力墙 结构设计
一、我国高层住宅结构体系现状
目前我国的高层住宅建筑大部分属于钢筋混凝土结构，其结构体系主要有框架、剪力墙及框架一剪力墙三大结构体系。其中框架结构具有建筑平面布置灵活、分隔方便、整体性及抗震性能好、设计合理时结构具有较好的塑性变形能力、采用轻质填充材料作为外墙围护结构因此自重小等优点，其缺点则是刚度较小、在水平力作用下变形曲线为剪切型，高度越高则水平位移越大，因此框架结构的建造高度有局限性；而剪力墙结构具有整体性好、刚度大、在水平力作用下变形曲线为弯曲型，抵抗侧向变形能力强、抗震性能较好、具有较好的塑性变形能力等优点，因此剪力墙结构比框架结构建造高度高。剪力墙结构的缺点是结构自重大，建筑平面布置不够灵活，受楼板跨度限制，间距不能太大，难以应用于跨度较大的公共建筑；框架一剪力墙结构同时具有框架结构与剪力墙结构的优点，由于框架和剪力墙的协同工作，在水平力作用下变形曲线为弯剪型，在下部楼层剪力墙承担了大部分剪力，在上部楼层，框架除负担水平作用力下的部分剪力，还承担拉回剪力墙变形的附加剪力。框架-剪力墙结构住宅的的缺点是下部楼层的梁、柱截面较大，有较大的凸凹，影响建筑室内美观。
随着高层住宅建筑的发展，新的结构体系不断出现，除了上述三大结构体系外，还有筒体、框架一核心筒、剪力墙一筒体、筒中筒等结构体系。
二、高层剪力墙结构住宅设计
高层剪力墙结构住宅同时承受竖向荷载和水平荷载的作用，剪力墙结构侧向刚较大，能较好的抵抗水平作用力及侧向变形，因此可以建造比框架结构更高，更多层数的建筑，并且没有梁、柱等外露与凸凹，便于房间内部布置。因此，高层住宅结构大多数采用剪力墙结构，国内外多次大地震后果表明，只有极少数的剪力墙结构的房屋倒塌。下面我们来详细讨论下剪力墙结构：
1.剪力墙结构的布置
剪力墙作为主要的抗侧力构件，合理的结构布置是构建良好抗震性能的基础。应遵循 “八字方针”即“对称、均匀、周边、连续” 此外，还需注意对抗震设计的剪力墙结构，避免单向有墙的结构布置。同方向的剪力墙上下对齐，成列布置，形成明确的墙肢和连梁；一、二、三级剪力墙的底部加强区不宜采用上下洞口不对齐的错洞墙。全高均不宜采用洞口局部重叠的叠合错洞墙。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。剪力墙的平面布应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。同向各片剪力墙的墙肢宽度应大致相当、布置均匀、数量适宜，否则过少则影响抗侧刚度，而过多则使得自重过大、影响墙体利用。对于剪力墙结构，若内纵墙很长，且连梁的跨高比小、刚度大，则墙的整体性好，在水平地震作用下，墙的剪切变形较大，墙肢的破坏高度可能超过底部加强部位的高度，新规范规定将长墙分成墙段，使墙的高度与墙体长度之比大于3，墙段长度不宜大于8m。
2.剪力墙结构的约束边缘构件和构造边缘构件的设置
钢筋混凝土设置边缘构件与不设边缘构件的矩形截面剪力墙，其极限承载力提高约40%，耗能能力增大20%，设置边缘构件可增加了墙体延性，因此，根据新《建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）中规定，当一、二、三级剪力墙底层墙肢底截面的轴压比大于规范表7.2.14的规定时，应在底部加强区及相邻上一层设置约束边缘构件，否则设置构造边缘构件，较旧规范相比，增加了三级剪力墙结构的约束边缘构件的设置，同时增加了按轴压比是否超限来决定是否设置约束边缘构件，因为轴压比是影响剪力墙在地震作用下塑性变形能力的重要因素。当剪力墙轴压比满足高规表7.2.14的要求时，墙的塑性变形能力较大，应设置构造边缘构件。反之延性小，应设置约束边缘构件。通过设置约束边缘构件，可提高轴压比高的剪力墙的塑性变形能力，但轴压比大于一定值后，在强震作用下，剪力墙可能因混凝土压溃而丧失承受重力荷载的能力。因此，规程规定了剪力墙的轴压比限值，且轴压比限值扩大到结构全高，不仅仅是底部加强部位。相比旧规范，新规范更加科学；新高规规定：可以计入“符合构造要求的水平分布钢筋”的约束作用。即剪力墙分布钢筋符合构造要求是可计入约束边缘构件的体积配箍率，与旧规范相比，即节约箍筋数量，同时减少了箍筋间距，降低了施工难度。
3.剪力墙结构连梁设计
剪力墙中的连梁是耗能构件，连梁一般具有跨度小，截面大，与连梁相连的墙体刚度很大等特点。因此，高层建筑在水平力作用下，连梁的内力往往很大。设计时，即使采取了降低连梁内力的各种措施，如：加大剪力墙的洞口宽度；在连梁中部开水平缝，在计算内力和位移时对连梁刚度进行折减，对局部内力过大层的连梁内力进行调整等措施后仍不能满足要求，对不同情况可采取以下措施：对于由风荷载控制的高层建筑，如果对连梁采取了刚度折减后，仍发生连梁的正截面受弯承载力或斜截面受剪承载力不够时，不宜再调整连梁的内力，而应当采取增加剪力墙的厚度，即增加连梁截面的宽度，以提高连梁的截面承载力；增加剪力墙数量，以减少每片墙承担的水平力；加大洞口，以增加连梁的跨度；减小连梁的截面高度或在连梁中部开水平缝，以降低连梁的刚度等方法，使连梁内力符合截面设计的要求；对于地震作用控制的高层，如果对连梁采取了刚度折减后，仍发生连梁正截面受弯承载力或斜截面受剪承载力不够时，则可区别不同情况，采取相应的措施：如果结构的刚度较大，位移比规定的限值小得较多，而超筋或超限的连梁数量又较多时，则可采取加大连梁洞口，减小连梁截面高度等方法，使连梁的内力减小。如果只是部分连梁超筋或超限，则可采取调整连梁内力的方法来解决。调整的幅度不宜超过20%，且连梁必须满足“强剪弱弯”的要求。如果结构的刚度较小，则不应再对连梁的内力进行调整，而应采取增加剪力墙的厚度或数量的方法，以减小连梁的内力，使之符合要求。
4.剪力墙结构墙体稳定性
高层住宅剪力墙结构的剪力墙稳定性与墙体的长度与厚度相关，新规范不再规定墙厚与层高或剪力墙无肢长度比值的限制要求，仅规定了剪力墙截面的最小厚度，规定剪力墙的截面厚度均要复核墙体稳定验算要求。这是高层建筑的基本要求。剪力墙平面外稳定与该层墙体顶部所受的轴压力大小密切相关，如果不考虑墙体顶部轴压力的影响，仅限制墙厚与层高或无肢长度的比值，会形成高差相差很大的房屋，其底部墙厚限制相同或一幢高层建筑底部与顶部墙厚限制条件相同等不合理现象。新高规附录D的墙体稳定验算公式能合理地反映楼层墙体顶部轴向压力及层高或无支长度对墙体平面外稳定的影响、安全可靠；同时，新高规附录D0.4条提出当T型、L型、槽型、工字型剪力墙的翼缘截面高度或T型、L型剪力墙腹板截面高度与翼缘截面厚度之和小于截面2倍厚度和800mm时，按单片独立墙肢经行验算，即翼缘必须满足一定长度要求，否则应按一字型剪力墙验算墙肢稳定性，规范修改后就显得更加科学了。
三、结束语
随着科学技术的飞速发展，人们对生活质量的要求的提高，高层建筑将如雨后春笋般出现。如何建造出安全、适用、经济、保证质量的住宅，是每个结构设计师肩负的重大任务和使命。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，在结构的概念设计阶段就做好结构选型工作，选择合理的结构体系，对墙体布置进行合理的设计，重点考虑风荷载及地震作用下的内力计算，深入细致的计算分析及再加上合理缜密的抗震措施，相信我们建造出来的高层住宅的结构设计一定会更加具有安全性、适用性，经济性也会更加舒适。
参考文献:
[1]高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3—2010）.中国建筑工业出版社，2010
[2]建筑抗震设计规范（GB50011-2010）．中国建筑工业出版社，2010．
[3]朱炳寅．建筑抗震设计规范应用与分析．中国建筑工业出版社， 2011．
[4]李国胜．多高层钢筋混凝土结构设计中的疑难问题处理及算例（第二版）．中国建筑工业出版社，2011．