高层建筑钢筋混凝土剪力墙结构设计问题探讨

[摘要] 本文针对目前应用广泛的剪力墙结构体系，对照规范对剪力墙的具体要求，结合工程实际，给出高层建筑钢筋混凝土剪力墙结构设计中常见问题的解决办法。

[关键词] 剪力墙 连梁 边缘构件 位移 周期 刚度

1剪力墙设计的基本要求

剪力墙结构中，剪力墙的布置宜沿主轴双向布置，剪力墙墙肢截面宜简单、规则。在设计时，剪力墙的布置应遵循“八字方针”，既“对称、均匀、周边、连续” ，应尽量避免出现剪力墙竖向不连续。

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。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，墙段间宜采用弱连梁连接，每个独立墙段的总高度与其截面长度之比不应小于2，墙肢截面长度不宜大于8m。

2 剪力墙设计中几个重要问题

2.1 连梁设计要求

剪力墙开洞形成的跨高比小于5的梁，称为连梁。因为连梁跨高比较小，竖向荷载下的弯矩所占的比例较小，它主要承受风荷载和水平地震作用。

在水平荷载作用下，墙肢发生弯曲变形，使连梁端部产生转角，从而使连梁产生内力，同时连梁端部的内力又反过来减小与之相连的墙肢的内力和变形，对墙肢起到一定的约束作用，改善墙肢的受力状态。因此连梁对于剪力墙结构尤其重要，它在起到连接墙肢作用的同时，还对所连接的墙肢起到一定的约束作用。

在剪力墙结构中，设计时应遵循强墙弱连梁、强剪弱弯的原则，即连梁要先于墙肢屈服，连梁和墙肢均应为弯曲屈服。对剪力墙结构，连梁是主要的耗能构件，其延性大小对整体结构的安全至关重要。因此设计中，要尽可能地提高连梁的延性，保证连梁的延性系数。

通过加强连梁的构造措施，可以有效提高连梁的延性，如控制连梁的纵向受力钢筋的锚固长度；控制连梁箍筋的最小直径和最大间距；保证连梁两侧水平钢筋的设置等均可提高连梁的延性。

设计中即使按有关规范取用最小刚度折减系数，还是会经常出现连梁抗剪能力不满足规范要求，这主要是部分连梁跨高比较小，刚度较大，造成连梁剪力过大，致使连梁抗剪能力不满足规范对连梁剪压比限值的要求。

针对以上情况，设计中通常是采取减少连梁刚度或增大连梁宽度来解决，减少连梁刚度可以通过减少连梁高度或加大连梁跨度（既加大剪力墙洞口尺寸）来实现， 增大连梁宽度一般可以通过加大剪力墙的厚度或采用双连梁来实现，也可以通过提高混凝土强度等级来解决。通常采用双连梁是较经济且有效的措施。实际工程设计应根据每个工程的具体情况采用最适合该工程的措施。

双连梁的做法如图一所示，计算时连梁的宽度按2b（b为连梁宽度）输入，实际配筋时将连梁的计算钢筋（包括纵向钢筋和箍筋）除以2后配置在bX h（b为连梁高度）内，上下两根梁钢筋相同。

图一双连梁大样

2.2 边缘构件构造设计

《高层建筑混凝土结构技术规程》将边缘构件分为约束边缘构件和构造边缘构件，一、二级抗震设计的剪力墙底部加强部位及其上一层的墙肢端部要求设置约束边缘构件，一、二级抗震设计的剪力墙的其他部位以及三、四级抗震设计和非抗震设计的剪力墙墙肢端部均要求设置构造边缘构件。

所谓约束边缘构件是指用箍筋约束的暗柱、端柱和翼墙(包括转角墙) ，由于箍筋的约束，可改善边缘构件混凝土的受压性能，从而提高剪力墙的极限承载力和耗能能力。

约束边缘构件分为阴影区和非阴影区，其范围为lc，其值与结构的抗震等级、节点形式及墙肢高度有关，如图二及表一所示。

剪力墙是结构中重要的承重构件，其边缘构件又是剪力墙最主要的受力部位，因此结构设计人员应该高度重视边缘构件的设计。

表一约束边缘构件范围为lc及其配箍特征值λ

项目 一级(9度) 一级(7、8度) 二级

λ 0.20 0.20 0.20

Lc（暗柱） 0.25hw 0.20hw 0.20hw

Lc（翼墙或端柱） 0.20hw 0.15hw 0.15hw

图二剪力墙的约束边缘构件

(a)暗柱 (b)有翼墙 (c)有端柱 (d)转角墙

2.3 剪力墙轴压比的控制

高层建筑随着高度的增高，剪力墙底部的轴压比也随之加大，偏心受压剪力墙轴力较大时，压区高度增大，与钢筋混凝土柱相同，这时剪力墙的延性下降，因此设计中应当重视对剪力墙轴压比的控制。这里所说的剪力墙轴压比，是指剪力墙在重力代表值作用下（不考虑地震作用组合）的轴压比，通常称之为名义轴压比。

截面受压区高度不仅与轴压比有关，还与截面形状有关，在相同的轴压比作用下，带翼缘的剪力墙受压区高度较小，延性相对较好，矩形截面最为不利，在设计中对矩形截面剪力墙墙肢（或墙段）应从严控制其轴压比。

剪力墙在重力代表值作用下墙肢的轴压比不宜超过表二 的限值。

表二剪力墙轴压比限值

轴压比 一级(9度) 一级(7、8度) 二级

N/(fcA) 0.40 0.50 0.60

当剪力墙的轴压比超过规范限值时，可以通过加大剪力墙厚度或者加大剪力墙墙肢长度以及提高剪力墙的混凝土强度等级等措施来减小剪力墙的轴压比。

3 剪力墙结构设计计算中的常见问题及其解决办法

高层建筑剪力墙结构设计通常采用振型分解反应谱法计算，剪力墙结构计算中经常出现以下几个问题：

3.1弹性层间位移角（通常称位移）不满足规范要求。此时一般采取增大结构的整体刚度来解决，应针对计算结果，是X向位移不满足要求，就主要增大结构X向刚度，是Y向位移不满足要求，就主要增大结构Y向刚度。一般增加墙厚或墙长、增加连梁高度都可以增大剪力墙结构的整体刚度，但对于结构高宽比较大的高层建筑，可能以上方法都无法解决，此时如果条件许可，可以把短向剪力墙延伸至阳台端部，以增加该向的结构刚度。如图三所示，福州某高层建筑，建筑高度为149m， Y向宽度为18.4m，高宽比为8.1，Y向剪力墙未延伸前，在风荷载作用下，Y向位移为1h/720，增加墙厚或墙长、增加连梁高度效果都不显著，最后把Y向剪力墙延伸至阳台端部，计算结果Y向位移为1h/990。通常可根据场地及建筑布置情况，向一个方向延伸，如果需要，也可同时向两个方向延伸。

图三剪力墙延伸图

3.2楼层最大弹性水平位移(或层间位移)与该楼层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值之比(简称位移比)不能满足规范要求

高层建筑结构设计往往由其变形而非受力所控制，结构的刚与柔是结构设计中最常遇到的矛盾。剪力墙布置多，结构刚度大，其地震作用也大，使用功能也会受到限制，而且明显增加了结构的自重，造成了结构和基础材料的过多消耗，从而造成不必要的浪费;而剪力墙布置少，结构刚度小，在风荷载和地震作用下，产生过大的位移,影响使用功能，严重者还可能产生结构安全问题，因此结构设计要使结构刚柔并济，既保证结构在风荷载和地震作用下不致产生过大的位移,又做到经济实用。在验算结构位移时，对全楼强制采用刚性楼板假定，如果计算结果不能满足规范要求，通常要查看在不附加偏心距的情况下结构的刚心与质心是否相距较远，如果两者相距较远，则要调整剪力墙的布置，使两者的距离尽可能减小；如果两者相距较小，则应加大结构的抗扭刚度，提高结构的抗扭能力。

在实际工程中，有时规则且平面刚度布置均匀的结构也可能出现位移比不能满足规范要求，这是因为计算时增加附加偏心距，这样规则结构也会出现扭转变形，结构长度越长，附加偏心距越大，扭转也越大。

所以设计中，结构设计人员要对每个具体工程的情况加以分析，再找出解决问题的办法。当结构的层间位移较小时, 位移比限值可以适当放宽。

3.3结构第一、二自振周期为扭转周期，或者结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑大于0.9，B级高度高层建筑大于0.85。

扭转周期的相对大小反映了结构抗扭刚度的大小，抗扭刚度较小的结构，其扭转周期必然较长，甚至长于结构平动周期，地震时，这样的结构扭转反应一般会较大，不利于抗震[2]。

当计算结果显示Tt/ T1大于规范限值时，可通过调整结构的刚心与质心，使两者的距离尽可能减小，在此基础上增加结构周边构件的刚度(增加周边梁高，周边增设剪力墙等)来加大结构的抗扭刚度，从而减小结构的扭转周期Tt；或者通过减小结构的整体刚度来加大结构的平动周期T1。当原来的结构刚度较大，层间位移较小时，可采取减小结构整体刚度的办法，结构刚度太大并不可取；当原来的结构刚度较小，层间位移已经较大时，则应通过加大结构的抗扭刚度，改善结构的抗扭性能来解决。实际工程要通过分析具体的计算结果以确定采用什么方法来解决扭转周期Tt超限问题。

3.4梁一端与剪力墙平面外连接，另一端与梁连接，此时往往与剪力墙平面外连接的那端梁内力很大，计算很难通过，可以采取以下措施来减小梁端弯矩对墙的不利影响：a）沿梁轴线方向设置与梁相连的剪力墙，抵抗该平面外弯矩；b）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；c）当不能设置扶壁柱时，应在墙与梁相交处设置暗柱；d）必要时，剪力墙内可设置型钢；e）计算时可把与剪力墙相连的梁端设为铰接。

3.5梁的一端与筒心相连，另一端与剪力墙相连，此时不能设置为铰接，如某高层剪力墙结构，层数为34层，平面形状为蝶型，如图四所示，筒心剪力墙与其周围的墙肢间距较小，连接筒心剪力墙与其周围墙肢的梁计算很难通过，主要是梁的抗剪能力不满足规范要求，笔者尝试把端梁设置成铰接，这样梁是满足要求了，可是弹性层间位移角却出现问题，原本弹性层间位移角能满足规范要求(为1/1320)，此时计算结果，弹性层间位移角却比原计算大了将近一倍(为1/710)，经过分析，是因为原本筒心剪力墙与其周围的墙肢是一整体，此处梁端铰接后，筒心剪力墙与其周围的墙肢变成两个独立的剪力墙，这样结构的整体刚度就变成只是两个独立的剪力墙刚度的简单叠加，比原来的整体刚度大大降低了，所以此处的梁端是不可以设置成铰接，否则不仅计算难通过，还造成不必要的浪费，设计中我们最后是通过加大梁的宽度来增大梁的抗剪能力，以满足规范要求。

图四剪力墙平面

3.6转角窗问题

近几年来，由于建筑功能的需要，建筑师在建筑平面外

墙转角处常常采用转角窗，以使用户充分享受室外的景观和阳光。但转角窗取消了具有较大扭转刚度且抗震性能较好的转角墙，使结构的扭转刚度大大削弱，极易产生扭转不规则的平面类型。设计中通常在转角窗附近布置小开间剪力墙以提高结构的抗扭刚度。

转角窗处的转角梁内力宜用有限元法分析计算，它不同于一般梁,也不同于剪力墙间的连梁，它是一根整体折梁，钢筋构造宜满足框架梁的构造要求。

转角窗处楼板处于房屋外角边缘，且支撑于抗扭刚度较差的转角梁上，此处楼板厚度宜适当加厚，楼板配筋宜适当加强，建议配置双层双向拉通钢筋。

B级高度的高层建筑不应在角部开设转角窗。

4 结束语

剪力墙结构中的连梁抗剪能力常不能满足规范要求，设计中通常是采取减少连梁刚度或加大连梁宽度来解决；设计计算中经常出现的位移、位移比、扭转周期不能满足规范要求，结构设计人员应该结合每个工程的具体情况，认真分析计算结果，然后采取经济有效的办法来解决。

参考文献

[1]姜学诗，，《建筑结构》CN11-2833/TU，

2003年12期，P17

[2]方鄂华，程懋，，《建筑结构》

CN11-2833/TU，2005年11期，P13

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。