钢筋混凝土剪力墙错层结构的设计方法

吴金祥

摘要：随着人们生活水平不断提高，对居住环境的要求越来越高，错层式住宅以其空间高低错落有致、使用合理、居住舒适等优点，越来越受到人们的青睐，这种错层式住宅多采用剪力墙结构。错层剪力墙结构使剪力墙形成错洞墙，导致结构刚度不规则，对结构抗震有不利影响，尤其对平面不规则和扭转效应显著的错层结构破坏特别严重。本文主要对钢筋混凝土剪力墙错层结构的设计方法进行了探讨，希望对相关人士有所帮助。

关键词：钢筋混凝土、高层建筑、错层剪力墙、结构设计

一、前言

高层建筑的剪力墙错层结构空间变化丰富、层次感较强，极大地满足了人们的心理要求，这些年来錯层剪力墙结构得到了广泛的应用，但因其结构对抗震有着不利的影响而使用范围受限，使得人们对其结构的发展提出了新的要求。对于高层住宅错层剪力墙结构，首先应确定适合的性能化设计目标，为满足性能化目标在各阶段的要求，采取合理的计算程序对结构进行详细的分析，包括整体弹性分析、弹性动力时程分析和重要构件的中震不屈服分析，这些分析的结果又用于控制结构的设计和指导结构的进一步设计，同时采取合理的抗震构造措施，使整个结构满足规范的要求。

二、高层建筑错层剪力墙结构概述

剪力墙是一种工程常见结构体系，由于建筑功能要求，剪力墙常有不规则的门窗洞口，这样布置洞口就把一个单肢分成了不规则单（多）肢错层剪力墙，这些不规则错层对剪力墙构件的有效刚度存在较大影响。剪力墙的性能取决于两个方面：第一，组成剪力墙的墙肢的强弱；第二，各墙肢之间联系的强弱。若墙肢本身是弱的，那么即使它们之间的联系很强，即连梁的线刚度很大，整个结构的性能是弱的，体现出强梁弱墙式的性能，整体性不好；相反若墙肢是强的，但是它们之间的联系很弱，结构相当于用若干根杆件联系几片悬臂墙，整体性仍然不好。随着人民生活水平的提高，民众对居住环境的要求也越来越高。错层式住宅有着空间高低错落有致，使用合理，居住舒适等优点，被越来越多的采用。这种错层式住宅多采用剪力墙结构。错层剪力墙结构使剪力墙形成错洞墙，导致结构刚度不规则，对结构抗震有不利影响，尤其对平面不规则和扭转效应显著的错层结构破坏特别严重。JGJ3-2002《高层建筑混凝土结构技术规程》建议在抗震设计时高层建筑宜避免错层，同时也对错层结构的概念设计，建模计算以及抗震构造措施等设计方法。

三、剪力墙设计的基本概念

1、剪力墙高和截面高度尺寸较大但截面厚度较小，几何特征像板，受力形态接近于柱，而与柱的区别主要是其截面高度与厚度的比值。

2、剪力墙结构中，墙是平面构件，除承受水平剪力和弯矩外，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；墙肢必须能防比墙体发生脆性剪切破坏，因此注意尽量将剪力墙设计成延性弯曲型。

3、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。

4、为了保证墙体的稳定性及便于施工，使墙有较好的承载力和地震作用下耗散能力。

四、高层结构的受力特点及影响因素分析

1、受力特点

（1）错层框架结构的受力特点

错层框架结构与框架结构的相比主要由于在错层处错开的楼层导致了在结构的一些部位形成竖向的短构件，使受力集中，不利于抗震。主要的原因可能是在同向受力中由于错层构件刚度大，而产生内力集中。在错层结构中，短柱问题应该得到足够的重视。

（2）错层框架剪力墙结构的受力特点

错层框架剪力墙结构中的剪力墙承担了水平力中的一大部分，特别是在地震作用下，错层框架剪力墙结构有两道设防线，能够较好地改善错层结构的受力性能。

2、影响因素分析

（1）水平荷载成为决定因素

一方面，因为楼房自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力合弯矩的数值，仅与楼房高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩以及由此在竖向构件中引起的轴力，是与楼房高度的二次方成正比；另一方面，对某一定高度的楼房来讲，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值则随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

（2）轴向变形不容忽视

与低层或多层建筑不同，结构侧移已成为高层建筑结构设计的关键因素，随着建筑高度增加，水平荷载作用下结构侧向变形迅速增大，结构侧移与高度呈现四次方关系上升。

（3）抗震设计要求更好

在高层建筑结构的抗震设防设计时，要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载，还必须使建筑结构具有良好的抗震性能，做到小震不坏、中震可修、大震不倒。

五、错层剪力墙结构在高层中的应用的相关研究

研究表明，对于错层结构，一般认为其不利的因素主要源于两个方面：一是由于楼板被分成数块，且相互错置，在错层构件中产生很大的变形和内力，削弱了楼板协调结构整体受力的能力；二是由于楼板错层，使得错层交接部位形成竖向短构件，可能在同向受力中因错层构件刚度大而产生内力几种，不利于抗震。短构件问题主要是针对多层框架结构，其不利于抗震的震害表现也多出现在多层框架中。对于以剪力墙为主要受力构件的高层住宅，规则的错层对结构受力的影响有限，影响主要在于两侧有错层连梁相连的墙体。结构的错层会增大结构的抗侧刚度，错层构件在结构整体中所占的比例越大，则整体侧向刚度增加幅度越大，但剪力墙结构抗侧刚度增加的幅度相比于框架结构要小。相互错层的相邻楼板仅由中间的错层柱或墙相联系，相比较平面刚度极大的楼板，错层柱或墙的弯剪刚度是个极小值，当结构受力时，结构两部分将产生不协调变形，可能会在错层柱或墙中形成较大的内力，错层柱或墙的受力与两部分的均与性有关。错层剪力墙结构的试验研究表明，由于错层剪力墙结构整体成弯曲破坏，根据振动台试验和静力试验破坏结果，错层剪力墙结构与一般剪力墙结构无大的区别。由此可知，错层对剪力墙结构体系的影响有限，错层剪力墙结构通过结构的合理布置和构造措施的加强，可以满足抗震设计的要求。

六、结束语

错层式剪力墙结构在高层住宅中被越来越多的开发商所采用，其优点是合理的利用不同的层高来满足不同的使用功能对空间的要求。随着科学技术的发展，这一结构设计将会越来越趋于科学合理，也将给建筑工程的 发展增添更加强大的动力。

参考文献：

[1]PKPM结构软件工程应用及实例剖析 杨星 中国建筑工业出版社 2010

[2]全国民用建筑工程设计技术措施（混凝土结构）（2009年版）中国计划出版社 2012

[3]梅生启.高层剪力墙结构住宅设计与分析[D].邯郸：河北工程大学，2013