高层建筑中短肢剪力墙结构截面设计与构造问题探析

韩斌

【摘 要】由于短肢剪力墙抗震性能较差，地震区应用经验不多，为安全起见，国家现行规范对这种结构抗震设计的最大适用高度、使用范围、抗震等级、筒体和一般剪力墙承受的地震倾覆力矩、墙肢厚度、轴压比、截面剪力设计值、纵向钢筋配筋率作了相应规定。

【关键词】高层建筑；短肢剪力墙；截面尺寸；空间刚度；结构自重；抗侧刚度

0 引言

近年兴起的短肢剪力墙结构，有利于住宅建筑布置，又可进一步减轻结构自重。但是在高层住宅中，剪力墙不宜过少、墙肢不宜过短，因此，不应设计仅有短肢剪力墙的高层建筑，要求设置剪力墙筒体（或一般剪力墙），形成短肢剪力墙与筒体（或一般剪力墙）共同抵抗水平力的结构。

1 关于剪力墙洞口布置规定

剪力墙洞口的布置，会极大地影响剪力墙的力学性能。规则开洞，洞口成列、成排布置，能形成明确的墙肢和连梁，应力分布比较规则，又与当前普遍应用程序的计算简图较为符合，设计结果安全可靠。错洞剪力墙应力分布复杂，计算、构造都比较复杂和困难。剪力墙底部加强部位，是塑性铰出现及保证剪力墙安全的重要部位，一、二和三级不宜采用错洞布置。其他情况如无法避免错洞墙，宜控制错洞墙洞口间的水平距离不小于2m，设计时应仔细计算分析，并在洞口周边采取有效构造措施。一、二、三级抗震设计的剪力墙不宜采用叠合错洞墙；当无法避免叠合错洞布置时，应按有限元方法仔细计算分析并在洞口周边采取加强措施或采用其他轻质材料填充将叠合洞口转化为规则洞口，其中阴影部分表示轻质填充墙体。

因此国家现行有关规范明确了剪力墙结构洞口布置在设计中所注意事项：

（1）剪力墙的门窗洞口宜上下对齐、成列布置，形成明确的墙肢和连梁。宜避免使墙肢刚度相差悬殊的洞口设置。抗震设计时，一、二、三级抗震等级剪力墙的底部加强部位不宜采用错洞墙；一、二、三级抗震等级的剪力墙均不宜采用叠合错洞墙。具有不规则洞口布置的错洞墙，可按弹性平面有限元方法进行应力分析，并按应力进行截面配筋设计或校核。

（2）较长的剪力墙宜开设洞口，将其分成长度较为均匀的若干墙段，墙段之间宜采用弱连梁连接，每个独立墙段的总高度与其截面高度之比不应小于2。墙肢截面高度不宜大于8m。

2 关于剪力墙连梁及底部加强区设计的一般规定

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的刚度及承载力。当梁高大于2倍墙厚时，梁端弯矩对墙平面外的安全不利，因此应当采取措施，以保证剪力墙平面外的安全。对截面较小的楼面梁可设计为铰接或半刚接，减小墙肢平面外弯矩。铰接端或半刚接端可通过弯矩调幅或梁变截面来实现，跨高比小于5的连梁，竖向荷载下的弯矩所占比例较小，水平荷载作用下产生的反弯使它对剪切变形十分敏感，容易出现剪切裂缝。本章针对连梁设计作了一些规定。当连梁跨高比不小于5时，竖向荷载作用下的弯矩所占比例较大，宜按框架梁设计。此时应相应加大梁跨中弯矩。

关于剪力墙底部加强区：在抗震设计时，为保证出现塑性铰后剪力墙具有足够的延性，该范围内应当加强构造措施，提高其抗剪切破坏的能力。由于剪力墙底部塑性铰出现都有一定范围，因此对其作了规定。一般情况下单个塑性铰发展高度为墙底截面以上墙肢截面高度hw的范圍，为安全起见，本条规定的加强部位范围适当扩大。

楼板主梁支承在连梁或框架梁上时，一方面，主梁端部约束达不到要求；另一方面，对支承梁不利，因此要尽量避免。楼板次梁支承在连梁或框架梁上时，次梁端部可按铰接处理梁与墙的连接有两种情况：当梁与墙在同一平面内时，多数为刚接，梁钢筋在墙内的锚固长度应与梁、柱连接时相同。当梁与墙不在同一平面内时，多数为半刚接，梁钢筋锚固应符合锚固长度要求；当墙截面厚度较小时，可适当减小梁钢筋锚固的水平段，但总长度应满足非抗震或抗震锚固长度要求。

国家现行有关规范明确了剪力墙结构连梁及底部加强区布置在设计中所注意事项：

（1）应控制剪力墙平面外的弯矩。当剪力墙墙肢与其平面外方向的楼面梁连接时，应至少采取以下措施中的一个措施，减小梁端部弯矩对墙的不利影响：

1）沿梁轴线方向设置与梁相连的剪力墙，抵抗该墙肢平面外弯矩；

2）当不能设置与梁轴线方向相连的剪力墙时，宜在墙与梁相交处设置扶壁柱。扶壁柱宜按计算确定截面及配筋；

3）当不能设置扶壁柱时，应在墙与梁相交处设置暗柱，并宜按计算确定配筋；

4）必要时，剪力墙内可设置型钢。

（2）剪力墙开洞形成的跨高比小于5的连梁，应按本章有关规定进行设计，当跨高比不小于5时，宜按框架梁进行设计。

（3）不宜将楼面主梁支承在剪力墙之间的连梁上。

3 短肢剪力结构设计相关构造

为了保证剪力墙的承载能力及变形能力，剪力墙混凝土的强度等级不宜太低。剪力墙最小厚度的目的是保证剪力墙出平面的刚度和稳定性能。当墙平面外有与其相交的剪力墙时，可视为剪力墙的支承，有利于保证剪力墙出平面的刚度和稳定性能，因而可在层高及无支长度二者中取较小值计算剪力墙的最小厚度。无支长度是指沿剪力墙长度方向没有平面外横向支承墙的长度。而两端无翼墙和端柱的一字形剪力墙，只能按层高计算墙厚，最小厚度也要加大。如果无法满足本条厚度要求，可按高规程附录D作墙体稳定计算。

因此我国现行有关规范明确了剪力墙结构截面设计中所注意事项

（1）短肢剪力墙的剪力墙结构的混凝土强度等级不应低于C25。

（2）剪力墙的截面尺寸应满足下列要求：

l）按一、二级抗震等级设计的剪力墙的截面厚度，底部加强部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/16，且不应小于200mm；其他部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/20，且不应小于160mm；

2）按三、四级抗震等级设计的剪力墙的截面厚度，底部加强部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/20，且不应小于160mm；其他部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/25，且不应小于160mm；

3）非抗震设计的剪力墙，其截面厚度不应小于层高或剪力墙无支长度的l/25，且不应小于160mm；

4）当墙厚不能满足本条第1、2、3款的要求时，应按高规附录D计算墙体的稳定；

5）剪力墙井筒中，分隔电梯井或管道井的墙肢截面厚度可适当减小，但不宜小于160mm。

4 剪力墙的截面尺寸还应满足下列计算要求

钢筋混凝土剪力墙正截面受弯计算公式是依据现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010中偏心受压和偏心受拉构件的假定及有关规定，又根据中国建筑科学研究院结构所等单位所做的剪力墙试验进行了简化。试验研究表明，在墙体发生破坏时，剪力墙腹板中受压区的分布钢筋应力仍然很小，因此在计算时忽略受压区分布筋作用。按照平截面假定，不考虑受拉混凝土的作用，受压区混凝土按矩形应力图块计算。大偏压时受拉区分布钢筋应力及受拉、受压端部钢筋都达到屈服，在1.5倍受压区范围之外，假定受拉区分布钢筋全部屈服；小偏压时端部受压钢筋屈服，而受拉分布钢筋及端部钢筋均未屈服。条文中分别给出了工字形截面的两个基本平衡公式（∑N=0，∑M=0），由此可得到各种情况下的设计计算公式。偏心受拉正截面计算公式直接采用了现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010的有关公式。

5 结束语

总之，剪力墙结构住宅建筑，由于其纵向墙体受到门窗及其它建筑上的限制，墙肢截面的高度及连梁的高度都不可能变化，所以这时宜综合经济性和整体受力性能来调整横向剪力墙的布置。

【参考文献】

[1]张晋，吕志涛.异形柱框轻和短肢剪力墙住宅结构体系[J].建筑结构，2001，31（7）：48-50.

[2]傅强.短肢剪力墙抗剪性能研究[D].南京：东南大学，2000.

[责任编辑：王静]