关于高层建筑剪力墙结构设计的探讨

邵振华

摘要：本文作者结合实际工作经验，对高层建筑剪力墙结构设计进行了分析探讨，供大家参考借鉴。

关键词：高层建筑；剪力墙；结构设计；探讨

由于短肢剪力墙结构的设计在高层住宅当中具有一定的发展潜力，因此，在对其设计的过程当中必须要根据它的受力特点，全面充分的了解对其损害的不同机理，从而选择合理的结构。同时让我们注意到的是，在对短肢剪力墙结构的设计时，必须要同一般的剪力墙有所区别，应结合高层住宅的主要特点，把结构应用得刚柔恰当，同时也要具有良好的抗震措施，从而才能达到结构设计主要目的。

多年来剪力墙结构在住宅、公寓和旅馆应用非常广泛，其优点是刚度大，整体性好，在水平力作用下位移小，这种结构的竖向承重构件主要由钢筋混凝土墙体来承担，这种墙体有较强的抵抗风和地震作用传来的水平力（剪力）的能力，因而有更好的抗侧力能力，可建造层数较多的建筑。随着市场竞争的日益激烈，原材料的上涨，经济性的要求也在不断的加强，其剪力墙的缺点也暴露出来：（一）由于剪力墙结构抗侧力刚度较大，使得其结构自振周期变小，引起较大地震反应；从而上部结构配筋相应增加，这增加了造价；（二）由于钢筋混凝土墙体较多，使得建筑物自重增加，增加了基础的费用。上部墙体均为双层双向配筋，增加了钢筋用量；（三）墙体间距的限制，空间灵活性较差；（四）由于墙肢较长，墙肢轴压力很小，无法充分发挥墙肢的承载能力；（五）剪力墙墙体多为构造配筋，使得钢筋材料利用率很低。

1 结构设计分析

由于应用普通的剪力墙结构限定建筑的空间以及分隔，所以也满足不了人们对空间设计的具体要求，对此，在经过不断的改良与实践提高，通过应用剪力墙作为基础，同时也吸取了框架的一些优势，并且也逐渐的发展成为可以适应高层住宅的结构设计，也就是短肢剪力墙结构。

1.1 剪力墙结构刚度大，整体性好。在高层住宅中，开间均较小，分隔墙较多，采用现浇剪力墙。可将承重墙减少，比较经济。另外，剪力墙外观整齐，没有露梁、露柱现象，便于室内布置，因此在高层住宅中常采用现浇剪力墙结构。

1.2 剪力墙结构设计中应注意的问题，剪力墙结构的抗侧刚度大，结构周期小，地震响应大：剪力墙结构墙体越多，建筑物的重量越大，地震反应也大，会造成浪费：另外，剪力墙结构墙体多为构造配筋，如果配筋率太低，则结构延性差。

1.3 结构位移的控制最大层间位移角（应≤l/1000）、最大水平位移与层平均位移的比值（不宜大于1.2，不应大于1.5）及最大层间位移与平均层间位移的比值（不宜大于1.2，不应大于1.5）。结构在风荷载和地震作用下的位移均能很好地满足规范限值。

1.4 剪重比是反映结构承受地震作用大小的指标之一，地震力计算不能偏大，但也不能太小。

2 设置角窗对高层剪力墙结构整体效应的影响

高层剪力墙角部是结构的关键部位，一般应设L形剪力墙，而在角部设置角窗会对结构整体效应变化造成较大的影响。此外，通过分析转角窗处的杆件内力特点，我们发现外墙内力明显增大，相邻各构件扭转效应明显，特别是洞口处的连梁所受扭矩较大，设计时应加强转角处外墙等构件的刚度和配筋。转角开洞对高层结构转角处楼板的影响也较大，其原因主要是楼板角部无竖向构件（如柱或墙肢）的可靠约束，仅有角窗长过梁作为水平向约束，而该约束又是悬臂构件，对楼板约束较弱。当楼板因形心与刚心偏离产生扭矩时，角部楼板会因扭转应力集中而产生较大变形，致楼板开裂，严重时甚至影响使用功能。加上角窗位于房屋端部，在夏季炎热的南方地区，或在冬季室内外温差较大的北方地区，结构本身较易产生裂缝，故必须选用合理的计算模型，并采取特殊措施加强转角窗处的结构设计和构造措施。

结构角部构件计算及构造措施计算分析目前高层结构的计算分析一般采用中国建建筑科学研究院的SATWE，PMSAP软件；但对不落地窗结构，如按普通剪力墙做法，即先在平面周边布墙再在拐角处开洞，将过梁看作连梁，则表面上似乎严格按实际情况输入程序计算，但由于程序本身的缺陷，使拐角处自动产生1个小于150mm的短肢剪力墙，且必须观察立面模型才可能发现，故较易疏忽。该小墙肢作为角窗挑梁自由端的一个支点，与实际情况不符，加上由于该构件过小且超筋，结构一受力即产生破坏而给整体计算带来麻烦，这是不可取的。因此，对转角窗上连梁应按普通框架梁考虑，梁高按实际输入。不落地窗处和落地窗处分别约为1400，500mm，这种计算模型与实际受力情况相吻合。该过梁两个方向均为悬挑构件，梁截面相同，当两个方向悬挑长度不同时，应将长跨作为次梁，短跨作为主梁，形成主次关系，两个方向悬挑长度相差不大时，长跨仍有可能悬臂受力，在端部也可认为互为铰接关系。角窗上连梁参与空间协同计算，对其结果应进行复核。对该处连梁上筋应按悬挑粱进行配筋，同时由于该处连梁互为支座，梁部应配置一定数量的底筋。因该处连梁在整体作用时内力可能存在调幅，使梁弯矩按塑性调幅连续梁边跨跨中弯矩，增加悬臂梁底筋对结构刚度有利。

3 设计中需注意的几个问题

3.1 在运用软件进行计算机辅助设计时，应根据实际情况调整软件的各项参数及简化模型，使其最大限度地反映实际工程的情况，尽可能地使其计算结果与实际模型相一致。了解各参数的实际意义，合理设置各参数。对于整体性系数较大的短肢墙，应尽可能使其整体性系数小，这样的结构在水平反复荷载作用下耗能能力强。

3.2 工程设计不能迷信计算机的计算结果，更不能因某一部分的计算结果有误差就全盘否定计算软件，只有在实践中逐步了解软件并在工作中避免其产生误差，这样才能使我们的设计更安全，更合理。

3.3 要充分利用梁、墙等构件可任意偏心布置的特點，尽可能避免近距离的轴线和节点，提高计算精度。如节点距离过近，可能会引起后面计算出错，同时应注意构件偏心布置时偏心不能太大，尤其不能跨节点或轴线。

3.4 SATWE程序中，在各种抗震等级下，墙的内力放大系数均是隐含值，但作为设计者，应清楚这些系数的取值。

3.5 合理确定连梁和墙肢的强度，要确保连梁的屈服先于墙肢的屈服。和框架结构一样，短肢剪力墙的设计也要遵循强墙肢弱连梁、强剪弱弯的原则。

3.6 对由软件计算的结构进行合理分析与判断。

3.7 在进行短肢剪墙结构整体设计时，必须要重视概念设计，使房屋各项指标都满足“抗震规范”及“高层建筑混凝土结构技术规程”的要求。

4 结构细部的构造措施

由于地震荷载的随机运动存在不确定性，因此在抗震设计中采用概念设计，即有意识、有目的地控制薄弱层（部位）使之有足够的变形能力又不使薄弱层发生转移，这是提高结构总体抗震性能的有效手段。高层建筑短肢剪力墙结构振动台试验研究中，振动台模拟地震试验结果表明：建筑平面外边缘及角点处的墙肢，底部外围的小墙肢，连梁等是短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节。在地震力作用下，高层短肢剪力墙结构将以整体弯曲变形为主，底部外用的小墙肢，截面面积小且承受较大的竖向荷载破坏严重，当有扭转效应时，会加剧已有的翘曲变形，建筑平面外边缘及角点处的墙肢会首先开裂，尤其“一”字形小墙肢破坏最严重。

5 施工中应注意的问题

5.1 由于混凝土墙肢与轻质隔墙材质不同，在住宅室内装修以及使用阶段易产生裂纹，应采用相应的建筑处理措施；

5.2 由于墙体模板不贯通，可能产生混凝土浇注过程中的位移，应注意模板验算以及支撑验算。

5.3 电路管线在混凝土墙肢与填充墙之间预留位置易产生偏移，应重点核查。

参考文献：

[1] 邢增杨.小高层短肢剪力墙结构设计初探[J].价值工程.2010，（36）.

[2] 张玲.高层短肢剪力墙设计实例浅析[J].工程建设与设计.2012，（02）.