谈剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用

谈剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用

叶波明

叶波明（浙江省东阳市规划建筑设计院，浙江东阳322100）

摘要：相对于框架结构来说，剪力墙结构室内无柱及梁的棱角露出，更为美观，使用功能也更好，且增大了使用面积。本文主要对剪力墙结构的平面布置、墙肢截面厚度、剪力墙水平分布筋和连梁的设计等进行了探讨。

关键词：剪力墙；结构设计；平面布置；边缘构件

《建筑抗震设计规范》GB50011-2010及《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010颁布实施后，新规范对剪力墙结构的规定更为严格和详细。新规范将剪力墙边缘构件分为约束边缘构件和构造边缘构件，并对短肢剪力墙做了更严格的限制。所谓短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5～8的剪力墙，一般剪力墙则是指墙肢截面高度与厚度之比大于8的剪力墙。

1剪力墙结构的平面布置

在结构设计中，为了做到安全和经济，剪力墙结构的侧向刚度不宜过大，可将其楼层层间最大位移与层高之比控制在1/1100～1/1300之间。对于高层住宅，底部剪力墙截面总面积与楼面面积之比大约在6%～8%，剪力墙的体积与总建筑面积之比大约在16%～20%。剪力墙平面上分布要力求均匀，使其刚度中心和建筑物质心尽量接近，以减小扭转效应，必要时通过改变墙肢长度和连梁高度调整刚心位置。住宅建筑中往往会有很多短肢剪力墙，应结合建筑平面，采用L、T、Z、十字形等截面形式，且翼缘长度大于其厚度的3倍。一字型剪力墙抗震性能较差，应尽量避免。剪力墙墙肢截面高厚比宜大于5，墙肢之间的梁净跨宜小于6.0m，否则梁高会太大，影响室内净高。

2剪力墙墙肢截面厚度

高规（JGJ3-2010）第7.2.1条规定了剪力墙的最小厚度，其主要目的是保证剪力墙出平面的刚度和稳定性能。对短肢剪力墙结构，规定其厚度除应符合7.2.1条的要求外，底部加强部位尚不应小于200mm，其他部位尚不应小于180mm。同时限制了轴压比。

3剪力墙水平分布筋在边缘构件中的锚固

在设计和施工中，部分人员仅将剪力墙水平分布筋锚入边缘构件中或与边缘构件箍筋搭接，这种做法不符合规范要求。边缘构件并不是剪力墙墙身的支座，其本身是剪力墙的一部分，它与剪力墙墙身之间的连接不是不同构件之间的连接，不能套用比如梁与柱连接的做法。剪力墙水平分布筋是用以抵抗水平地震作用产生的剪力，是按整片墙肢进行配置的，并未扣除边缘构件的长度；而剪力墙边缘构件中箍筋的作用是约束混凝土，改善混凝土的受压性能，使剪力墙在地震作用下具有较好的延性和耗能能力，两者所起的作用不同，不宜混用。正确的做法是将水平分布筋伸至墙肢端部，并垂直弯折15d。

4连梁的配筋

高层结构中，连梁是一个耗能构件，连梁的剪切破坏会使结构的延性降低，对抗震不利，设计时应注意对连梁进行“强剪弱弯”的验算，保证连梁的弯曲破坏先于剪切破坏。因此，不能人为加大连梁的纵筋，否则，可能无法满足“强剪弱弯”的要求。

应注意的是，认为加大箍筋就能保证“强剪弱弯”也是不正确的，当连梁不满足截面控制条件时，盲目增加配箍的结果会导致箍筋充分发挥作用之前，连梁就已发生剪切破坏。

5计算结果分析、判断和调整

对重要、复杂的高层结构，应至少用两个不同的力学模型的结构分析程序进行计算比较，并对计算结果的合理性进行判断，确认其可靠性后，方可用于工程设计。一般可根据结构类型分析其动力特性和位移特性，判断其合理性。

5.1关于周期、振型和地震力

非耦连计算地震作用时，其第一周期一般在以下范围内，即：

框剪结构T1=0.08~0.12N

剪力墙结构T1=0.04~0.08N

筒中筒结构T1=0.06~0.10N

其中N为结构计算层数（对于40层以上的建筑，上述近似周期的范围可能有较大差别）。耦连计算时，扭转为主的周期应小于平动为主的周期的0.9或0.85。

耦连计算地震作用时，其第一周期剪重比也应在常规范围内，但不能简单地与非耦连时计算比较，因其振型较为复杂，地震底部剪力与非耦连计算结果相近或略小。

5.2关于位移

参考点位移曲线应上下渐变，不应出现大的突变，位移值须满足规范有关要求。位移与结构的总体刚度有关，计算位移愈小，其结构的总体刚度就愈大，反之，位移值愈大，其结构总体刚度就愈小，故可以根据初算的结果对整体结构进行调整。如位移值偏小，则可以减小整体结构的刚度，对墙、梁的截面尺寸可适当减小或取消部分剪力墙。反之，如果位移偏大，则考虑如何加强整体结构的刚度，包括加大有关构件的尺寸，改变结构抵抗水平力的形式、增设加强层、斜撑等。

5.3分析判断

结构计算完毕，除对整体分析结构进行判断和调整外，还应对构件的配筋的合理性进行分析判断，包括如下内容：一般构件的配筋值是否符合构件的受力特性；特殊构件应分析其内力、配筋是否正常；必要时应进一步分析，包括手算（导荷载及内力计算）以及采用其他程序进行复核；柱的轴压比是否符合规范要求；短肢剪力墙的轴压比是否满足有关要求；竖向构件的加强部位（如角柱、框支柱、底层剪力墙等）的配筋是否得到反映。

6个别构件的超筋判断和处理

6.1内外力平衡条件是否满足

进行内外力平衡分析时需注意：应在框架内力调整之前，平衡校核只能对同一结构在同一荷载条件下进行，故不能考虑施工过程的模拟加载的影响。平衡分析时必须考虑全部内力，当需要进行平衡校核时，可利用第一振型的地震作用进行平衡分析。由于结构整体分析无法包括所有构件，或者包括了但由于模型关系而给不出较准确的内力，故除了整体分析外，有时还需对结构的局部进行补充计算和分析。

6.2异型板的计算模型的确定

一般楼板都是矩形板（双向板和单向板），只有在结构平面复杂情况下才不可避免地出现异形板，对于任意形状的楼板，首先从其基本形状确定主要传力方向，然后用与其面积桢或相近的矩形在受力方向上拉伸，使板块凸出矩形外的面积和凹入矩形内的央积相近，这时锁定的矩形即为任意板的计算模型。由于板支座受力方向与布置钢筋方向的不一致性，故计算时按周边简支板考虑。实际配筋时支座面筋按相邻板受力确定或构造设置，底筋则按受力方向双向配置。

6.3框支梁与框支柱的分析和设计

整体分析时，有些程序未能恰当地反映框支梁、柱及其上剪力墙的受力及配筋情况，此时需进行局部的有限元分析。单元格的划分，框支梁与框支柱的间距一般取250~300，剪力墙的间距一般取300~500，以确保计算精度，满足有关的配筋要求，分析求得对应单元的应力后，再根据应力的分布及构造要求进行配筋，配筋时需注意：（1）除根据应力配筋外，尚应按已有的试验构件的破坏形态在薄弱位置处加强配筋。（2）框支梁应加强采筋的配置，腰筋肢数和大小及间距也应随着单元的应力的分布情况确定，而不应按一般梁的构造设置。（3）框支梁以上的二层剪力墙需特别加强。（4）有抗震设防要求的建筑物，框支梁的配筋尚应考虑其上剪力墙可能出现的裂缝改变了计算的应力分布，应根据工程实践经验适当加强配筋。