关于高层剪力墙结构设计的探讨

陈明庆

摘 要：本文主要从高层剪力墙结构形式特点、结构布置注意事项、结构构件延性设计、结构设计中常见问题等方面进行了简单论述。

关键词：高层；剪力墙结构；转角窗；连梁

1 引言

随着国家经济的发展，城市化进程加快，多层的砖混或框架结构已经逐渐不能满足城市发展的需求，剪力墙结构越来越多的出现在建筑行业里，其中以住宅居多，然而随着人们对住宅使用功能要求的日渐增加，也给剪力墙设计带来了不少的难度，下面本人结合多年工作实际，现对高层剪力墙结构设计的一些特点和常见问题做如下介绍并提出一点解决意见。

2剪力墙结构形式特点

（1）用钢筋混凝土剪力墙抵抗竖向荷载和水平荷载的结构称为剪力墙结构。现浇钢筋混凝土剪力墙结构整体性好，抗侧力刚度大，承载力大，在水平力作用下侧移小，经过合理设计，能设计成抗震性能好的钢筋混凝土延性剪力墙。由于这种结构形式侧向变形小，承载力大，且有一定的延性，在历次大地震中，剪力墙结构破坏较少，表现出令人满意的抗震性能（但仅就延性而言，剪力墙不如框架结构）。剪力墙结构中，剪力墙间距一般较小，平面布置不够灵活，建筑空间受到限制是它的主要缺点，因此它在商场等公共建筑中应用较少，而在住宅，公寓，饭店等建筑中应用广泛。

（2）悬臂剪力墙是剪力墙结构中的基本形式，各个悬臂剪力墙肢通过合理的结构布置构成了建筑结构的主体。悬臂剪力墙的破坏形式主要有弯曲破坏，剪切破坏和滑移破坏（剪切滑移或施工缝滑移），就单片悬臂剪力墙而言，它是一个静定结构，只要有一个截面达到极限承载力，构件就丧失了承载能力，在水平荷载作用下，剪力墙的弯矩和剪力都在基底部位最大，因而，墙肢底截面是设计的控制断面。对于剪力墙截面沿高度变化的位置，也应作为控制截面来验算承载力。

（3）实际工程中剪力墙分为整体墙和联肢墙：整体墙如一般房屋的山墙、鱼骨式结构片墙及小开洞墙。整体墙受力如同竖向悬臂构件，当剪力墙墙肢较长时，在力作用下法向应力呈线性分布，破坏形态似偏心受压柱，配筋应尽量将竖向钢筋布置在墙肢两端；为防止剪切破坏，提高延性应将底部截面的组合设计内力适当提高或加大配筋率。联肢墙是由连梁连接起来的剪力墙，但因一般连梁的刚度比墙肢刚度小得多，墙肢单独作用显著，连梁中部出现反弯点。当墙肢较小时，要注意墙肢轴压比限值。

（4）壁式框架：当剪力墙开洞过大时，形成由宽梁、宽柱组成的短墙肢，构件形成两端带有刚域的变截面杆件，在内力作用下许多墙肢将出现反弯点，墙已类似框架的受力特点，因此计算和构造应按近似框架结构考虑。

综上所述，设计剪力墙时，应根据各类型墙体的特点，不同的受力特征，墙体内力分布状态并结合其破坏形态，合理地考虑设计配筋和构造措施。

3 结构布置注意事项

（1）高层剪力墙结构应具备较好的空间工作性能，《高规》7.1.1条规定，剪力墙结构中，剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置，并宜使两个方向刚度接近。抗震设计的剪力墙结构，应避免仅单向有墙的结构布置形式。剪力墙墙肢截面宜简单，规则。同时，剪力墙的侧向刚度不宜过大。

（2）剪力墙结构的抗侧力刚度和承载力均较大，为充分利用剪力墙的这一特征，减轻结构重量，增大剪力墙结构的可利用空间，墙不宜布置太密，以便使结构具备适宜的侧向刚度。

（3）在结构布置过程中，应避免布置墙肢长度过长（≥8m）的墙体。当有少量墙肢长度大于8m时，计算中，楼层剪力主要由这些大的墙肢承受，其他小的墙肢承受的剪力很小，一旦地震，尤其超烈度地震时，大墙肢容易遭受破坏，而小的墙肢又无足够配筋，整个结构容易被各个击破，这是极不利的。所以，对于大的剪力墙墙肢，应采用留置结构洞口（洞口连梁宜采用约束弯矩较小的弱连梁），把长墙肢分解成合理的墙肢长度，调整其刚度。

（4）剪力墙的门窗洞口宜上下对其，成列布置，形成明确的墙肢和连梁。当无法上下对其，成列布置时，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。

4 结构构件延性设计

要使悬臂剪力墙具有延性，就要控制塑性铰在某个恰当的部位出现；在塑性铰区域防止过早出现剪切破坏（即强剪弱弯设计），并防止过早出现锚固破坏（强锚固）；在塑性铰区域改善抗弯及抗剪钢筋构造，控制斜裂缝开展，充分发挥弯曲作用下抗拉钢筋的延性作用。悬臂剪力墙的塑性铰通常出现在底截面，因此，剪力墙底部应设置加强区，加强范围不宜小于H/8（H为剪力墙总高），也不小于底层层高。当剪力墙高度超过150m时，其底部加强部位的范围可取墙肢总高度的1/10。

影响墙肢延性的因素主要有：（1）剪力墙截面有、无翼缘对剪力墙延性影响很大。当截面没有翼缘时，延性较差。有了翼缘或端柱后，延性大为提高。（2）剪力墙随轴力增大，延性降低。（3）当钢筋总量不变，但端部钢筋与分布钢筋的分配比例不同时，墙肢延性不同。在规范许可条件下，适当增加端部钢筋，减少分布钢筋，即可提高承载力，又可提高延性。（4）设置约束边缘构件是提高延性的有效方法。

5 结构设计中的一些常见问题及构造措施

（1）带转角窗剪力墙结构设计

现在建筑设计为了追求采光及通透性，经常在建筑角部设置转角窗。但转角窗在结构角部设置转角洞口，对主体结构的抗扭性能影响大，容易造成地震中的结构扭转破坏，所以在结构设计中要对转角窗位置特别注意，采取有效加强措施：

1）宜提高角窗两侧墙肢抗震等级

2）加强两端暗柱配筋，特别是箍筋

3）在板内设置暗梁，提高整体性

4）转角窗房间的楼板宜适当加厚、板配筋采用双向双面设置

5）抗震计算时应考虑扭转耦联的影响

6）加强角窗窗台连梁的配筋及构造

（2）连梁抗剪强度不足问题连梁抗剪强度不足是剪力墙结构设计经常出现的问题，破坏时产生脆性的剪切破坏，不符合规范的强剪弱弯要求，也不能形成作为第一道耗能防线的弯曲破坏，遇到这种情况，应从两方面着手解决：

1）降低连梁刚度，调整结构布置，减少该连梁承担的地震作用； a）调整结构布置，使水平荷载分配合理，从而减小连梁承受的剪力。b）对连梁刚度折减，通过调整连梁刚度折减系数来调整连梁承受的剪力。c）调整连梁高度和洞口宽度，从截面上调整连梁刚度。 d）对于截面较高的连梁，通过连梁设水平缝，将一道高度为h连梁设置为两道高度为h/2的连梁，从而减小刚度，避免承担过多的地震力。

2）提高连梁抗剪承载力。a）提高混凝土强度等级， b）当连梁破坏对承受竖向荷载无大影响时，可考虑在大震作用下该联肢墙的连梁不参与工作，按独立墙肢进行第二次结构内力分析（第二道防线），墙肢应按两次计算所得的较大内力配筋。即可将超筋部位连梁两端按铰接处理进行整体计算，但应注意，按此方法处理后计算结果层间位移比尚须满足规范要求，连梁满足竖向承载力要求即可，施工时仍为整浇，上部钢筋按构造设置。

6结语

在高层剪力墙结构设计中，我们每一个设计者都应该本着精心设计的原则，考虑多方面因素，确定出合理的结构布置方案，只有这样，我們才能把握好每个细节，做出安全合理的建筑结构。