浅谈混凝土剪力墙结构设计

摘要：剪力墙结构作为高层建筑中的主要结构形式，是适应建筑要求而形成的特殊的剪力墙结构，被广泛运用于现代高层建筑。相对于框架结构，剪力墙结构既可以保证结构安全可靠性，又可以使室内空间合理、墙面平整，所以高层建筑结构中越来越多地采用剪力墙结构，剪力墙的受力、变形特征，类似于框剪结构，但比框剪结构的刚度分配、内力分配更合理，结构的变形协调导致的竖向位移差别，也比框剪结构小，则传基础荷载更均匀、合理。这样的结构形式能使建筑取得较好的经济效果和建筑功能效果。以此，笔者结合实际和国家规范条文对剪力墙结构做出以下讨论。

关键词：高层建筑；剪力墙；概念设计；结构设计；计算原则；墙体配筋

Abstract: the shear wall structure as the main structure form in tall buildings, is adapted to the architectural requirements and the formation of the special shear wall structure, is widely used in modern high-rise building. Relative to the frame structure, the shear wall structure can guarantee the safety of the structure reliability, and can make indoor space reasonable, metope level off, so high building structure used more and more in the shear wall structure, shear wall, the stress of the deformation characteristics, similar to the box shear structure, but cut structure stiffness than box distribution, internal force distribution more reasonable, structure of the deformation coordination of vertical displacement to the differences, also cut than box small structure is based load more even, the reasonable. This structure form can make building get better economic effect and the building function effect. This, combined with the actual and the national standard provisions on the shear wall structure make the following discussion.

Keywords: high building; Shear wall; The conceptual design; Structure design; Calculation principle; Wall reinforcement

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

1 剪力墙结构的优缺点

剪力墙结构刚度大，整体性好，用钢量较省。在居住性建筑中，居室和客房均为小间，分隔墙较多，采用现浇剪力墙结构，可以将承重墙与隔墙合二为一，相对来说比较经济。另外，采用现浇剪力墙结构，室内较框架结构简洁，没有露梁和露柱现象，外形美观，便于室内布置。但是，也有一些缺点：

（1）剪力墙结构的抗侧刚度大，引起较大地震反应，使得上部结构和基础费用增加；

（2）由于混凝土墙体较多，使得建筑物重量增加，这也同样引起较大地震反应，造成浪费；（3）剪力墙结构中各墙肢轴压比往往较低，使得各墙肢的承载能力得不到充分发挥；

（4）剪力墙结构中墙体多为构造配筋，配筋率较低，使得结构延性较差。

建筑物刚度的大小，历来争议较多。但对于钢筋混凝土结构，通过历次震害表明，刚度较大的结构一般震害较轻。但是，结构刚度不能无限制增大，因为一般情况下，建筑物刚度越大，工程费用越高，对高层建筑，控制这个“度”主要有两个因素，一个是控制结构的水平位移，首先应使结构水平位移满足JGJ3- 2002《高层建筑混凝土结构技术规程》中有关结构水平位移的限值；另一个是控制地震力，因为在地震力计算值偏小的情况下，有时也会出现结构顶点位移满足要求、构件为构造配筋的“安全”假象。所以，只有底部剪力在合理范围内，检查位移、内力及配筋情况才有意义，剪力墙结构的底部剪力系数a＝底部剪力／结构自重，并控制在表1所列范围内较合适。

在高层剪力墙结构设计中，既要发挥它具有足够的抗侧能力等优点，又要改进其工程费用较高的缺点，成为这一个关键问题。为此，根据建筑物的高度不同，提出如下几种改进的现浇剪力墙结构形式，并通过控制结构水平位移和底部剪力系数这两个因素来满足设计要求

2 剪力墙结构设计计算原则

剪力墙结构设计时，应根据规范要求综合考察结构是否合理，比如说剪力墙结构刚度不宜过大，应以规范规定的楼层最小剪力系数为目标，使计算结果接近规范限值(不小于限值)，同时要使楼层层间最大位移与层高之比满足规范限值。其次，考察剪力墙底部加强区的轴压比是否满足(对抗震等级为一、二级的剪力墙)，剪力墙连梁是否超限等。要控制好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级高度的剪力墙结构不应大于0.9，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于0.85；在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍；B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.4倍。一般情况情况宜控制在1.2左右，特别不规则平面也宜控制在1.4以内。

剪力墙结构用钢筋及混凝土指标

以下再较细致的分析剪力墙结构设计中需重点关注的各种技术指标的调整方法。

2.1 楼层最小剪力系数(剪重比)的调整原则：在满足短肢剪力墙承受的第一振型底部地震 覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩的不超过40％的前提下尽可能少布置剪力墙，以大开间剪力墙布置方案为目标，使结构具有适宜的侧向刚度，使楼层最小剪力系数接近规范限值(不小于限值)。这样能够减轻结构自重，有效减小地震作用的输入，同时降低工程造价。

2.2 楼层层间最大位移与层高之比(位移)的调整原则：规范规定多遇地震作用标准值产生的楼层最大的弹性层间位移在计算时，除以弯曲变形为主的高层建筑外，可不扣除结构整体弯曲变形；应计入扭转变形。由此可见，对于一般的高层建筑，重点是楼间的剪切变形及扭转变形。剪切变形的控制是以竖向构件的多少来决定的，但竖向构件足够多(剪重比偏大)而布置不合理，则会造成扭转变形过大，同样不能满足层间位移的要求。因此，对于高层建筑应尽可能使扭转变形最小，而不能仅根据层间位移不够不加分析地增加竖向构件的刚度。

在实际工程设计中常常遇到如下情况：一些设计人员看到某一方向(X向或Y向)层间位移不满足规范要求，于是不断增加该向的侧向刚度；这样做是可以解决问题的，但应注意此时结构的剪重比是否较大，若与规范限值接近则可行，若剪重比已经较大，则不应当一味的增加，要学会用加法的同时也要学会用减法，即减小对应一侧的结构刚度，使其剪重比减小，地震作用减小，同样可以达到较好的结果。

2.3 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(周期比)的调整原则：

震害表明，平面不规则、质量与刚度偏心、抗扭刚度太弱的结构，在地震中破坏严重，因此应保证结构的抗扭刚度不能太弱。结构的扭转效应应从以下两方面加以限制：首先，限制结构平面的不规则性，避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应，扭转变形的计算应考虑偶然偏心的影响；其次，限制结构的抗扭刚度不能太弱，关键是限制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。

在实际工程设计中，应将结构竖向构件尽可能沿建筑周边布置，这样即可以提高结构的侧向刚度，同时又能够较大幅度的提高结构的抗扭刚度；若在结构的形心附近加大竖向构件刚度，则对侧向刚度的贡献大而对结构整体的抗扭刚度贡献甚微。

3 剪力墙结构设计要点

3.1A级高度乙类、丙类高层建筑的剪力墙结构最大适用高度

全部落地剪力墙――非抗震、6度、7度、8度、9度抗震时，分别为150、140、120、100、60m 部分框支剪力墙――非抗震、6度、7度、8度抗震时，分别为130、120、100、80m，9度抗震时不宜采用 A级高度甲类高层建筑的剪力墙结构最大适用高度： 6度、7度、8度抗震时，将本地区设防烈度提高一级后，按乙类、丙类建筑采用 9度抗震时，应专门研究 （说明：房屋高度指室外地面至主要屋面高度，不包括局部突出屋面的电梯机房、水箱、构架等高度）

3.2B级高度乙类、丙类高层建筑的剪力墙结构最大适用高度

全部落地剪力墙――非抗震、6度、7度、8度抗震时，分别为180、170、150、130m 部分框支剪力墙――非抗震、6度、7度、8度抗震时，分别为150、140、120、100m B级高度甲类高层建筑的剪力墙结构最大适用高度： 6度、7度抗震时，按本地区设防烈度提高一级后，按乙类、丙类建筑采用 8度抗震时，应专门研究

3.3 结构的最大高宽比

A级高度――非抗震、6度、7度、8度、9度抗震时，分别为6、6、6、5、4 B级高度――非抗震、6度、7度、8度抗震时，分别为8、7、7、6

3.4 质量与刚度分布明显不对称、不均匀的结构，应计算双向水平地震作用下的扭转影响； 其他情况，应计算单向水平地震作用的扭转影响

3.5 考虑非承重墙的刚度影响，结构自振周期折减系数取值0.9～1.0

3.6 水平位移验算： 多遇地震作用下的最大层间位移角 ≤ 罕遇地震作用下的薄弱层层间弹塑性位移角 ≤ 1/120

3.7舒适度要求： 高度超过150m的高层建筑，按10年一遇的风荷载取值计算的顺风向与横风向结构顶点的最大加速度限值为：住宅、公寓 0.15 m/s2，办公、旅馆 0.25 m/s2

4 剪力墙的边缘构造

结构试验表明矩形截面剪力墙的延性比工字形或槽形截面剪力墙差；计算分析表明增加墙肢截面两端的翼缘能显著提高墙的延性；因此在矩形墙两端设约束边缘构件不但能较显著地提高墙体的延性，还能防止剪力墙发生水平剪切滑动提高抗剪能力。

5 剪力墙结构的厚度和配筋问题

5.1 墙的水平分布筋是为横向抗剪以防止墙体在斜裂缝出现后发生脆性剪切破坏，同时起到抵抗温度应力防止砼出现裂缝，设计中当建筑物较高较长或框剪结构时配筋宜适当增加，特别在连梁部位或温度、刚度变化等敏感部位宜适当增加。但对于矮、短的房屋，其水平筋的配筋率是否适当减小值得探讨。

5.2 墙的竖向钢筋主要起抗弯作用，目前在一些多层低高层剪力墙中电算结果多为构造配筋；但配筋时所取的配筋率有人往往扣除了约束边缘构件或构造边缘构件中的钢筋，笔者认为竖向最小配筋率应该包括边缘构件中的钢筋，墙肢的竖向配筋原则也应该尽量将钢筋布置在墙端部边缘区并保证钢筋间距300mm，也应该注意防止竖筋过多使墙的抗弯强度大于抗剪强度，对抗震不利。

6 剪力墙结构的超长问题

混凝土规范9.1.1条规定现浇混凝土剪力墙结构的温度伸缩缝最大间距当在室内或土中时为45m，露天时为30m;而现浇框架剪力墙或框架核心筒结构的伸缩缝间距可取45~55m.规范的这一规定显然与现今建筑的体量越来越大但功能又要求不设缝发生矛盾；因此目前许多工程中的伸缩缝间距都突破了规范的规定，也造成了设计人员在设计中遇到超长结构时的胆量越来越大。本人认为今后当剪力墙结构超长时，应该慎重处理为好，过长时应该尽量设置温度伸缩缝，宜较严格遵守规范规定的限值，理由如下：

（1）剪力墙结构刚度大，受温差影响大，混凝土的收缩、徐变产生的变形大，墙体对楼面、屋面产生的约束也大；当结构发生收缩变形时比其他结构易出现裂缝。一些未超长的剪力墙结构产生墙体或楼面裂缝，其主要原因就在此。

（2）混凝土结构受温度或收缩徐变的影响与众多因素有关；而体型庞大的剪力墙房屋往往形状复杂，混凝土收缩大，约束应力积聚也大，施工工艺及管理也难控制，环境影响使用变化难于判断，因此更难于解决混凝土收缩变形时，在受约束条件下引起拉应力而保证不出现裂缝。

（3）普遍使用商品混凝土泵送施工，为了泵送，增大水泥用量，减少了中粗骨料含量和骨料粒径，加上泵送混凝土配合比和施工送料时的不良因素影响等都加大了结构收缩量，增加产生裂缝的因素。

综上所述，今后在处理超长结构时，特别是处理超长的剪力墙结构时要特别慎重；当发生实在由于建筑使用功能要求不允许超长建筑设永久缝时，建议采用对结构施加预应力的方法并结合采用设计构造措施、施工措施共同给予处理

7 结语

随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，对建筑剪力墙结构设计也提出了更高的要求。打破建筑结构设计中的墨守成规，充分发挥结构工程师的创新能力，是相当必要的。因为他们是结构设计革命的推动者和执行者，这则需要工程界进行共同的努力，推广更好的概念设计思想的一种有效办法。

参考文献

[1] 方鄂华，钱稼茹，叶列平. 高层建筑结构设计. 北京：中国建筑工业出版社，2003.

[2] 王晓峰.框架―剪力墙结构优化设计[J].山西建筑,2007.

[3] 韦海军.浅谈结构优化设计的思路及方法[J].建材与装饰(中旬刊),2007.

[4] 林红娟. 浅谈高层建筑结构的概念设计[J]. 中国高新技术企业, 2008, (19)

[5] 冯芸. 谈小高层住宅的剪力墙设计与概念设计[J]. 陕西建筑, 2009, (08)

[6] 班奇志. 浅谈高层建筑结构概念设计及高层建筑结构体系[J]. 沿海企业与科技, 2009, (02)

[7] 梁爱莉. 对高层建筑结构抗震概念设计的几点认识[J]. 科技传播, 2009, (11)

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