高层钢筋混凝土剪力墙结构设计分析

摘要：结合某高层剪力墙结构，首先介绍了钢筋混凝土剪力墙结构的概念设计，然后对高层剪力墙结构的受力特点进行了分析，最后讲述了墙肢和连梁的设计。

关键词：钢筋混凝土剪力墙结构；高层建筑；结构设计

Abstract: Combined with a high-rise shear wall structure, firstly introduces reinforced concrete shear wall structure of the concept design, and then to high-rise shear wall structure of the mechanical characteristics were analyzed, and finally tells the story of wall limb and the design of the coupling beam.

Keywords: Reinforced concrete shear wall structure; High-rise buildings; Structure design

中图分类号： TU398+.2 文献标识码： A 文章编号：

工程概况

某住宅小区 E、F栋，建筑面积为19282.6m2，32层，其中地下室高4.500m，首层层高5.500m，标准层高3.000m，高度为71.500m，E栋首层平面布置图，如图1所示。本工程抗震设防烈度为6度，抗震设防类别为丙类，按6度抗震设防计算并采取相应抗震构造措施, 抗震等级如表1所示。

图 1 E栋首层平面图

表1结构抗震等级

剪力墙结构的受力变形特点

2.1水平荷载作用下的受力变形特点

水平荷载作用下，悬臂剪力墙的控制截面是底层截面，所产生的内力是水平剪力和弯矩。墙肢截面在弯矩作用下产生的层间侧移是下部层间相对侧移较小，上部层间相对侧移较大的“弯曲型变形”，以及在剪力作用下产生的“剪切型变形”，此两种变形的叠加构成平面剪力墙的变形特征。

2.2剪力墙的破坏特征

在实际工程中，为了改善平面剪力墙的受力变形特征，结合建筑设计使用功能要求，在剪力墙上开设洞口以连梁相连，以使单肢剪力墙的高宽比显著提高，从而使剪力墙墙肢发生延性的弯曲破坏。若墙肢高宽比较小，一旦墙肢发生破坏，肯定是无较大变形的脆性剪切破坏，设计时应尽可能增大墙肢高宽比以避免脆性的剪切破坏。

剪力墙的结构布置

3.1高宽比限制

钢筋混凝土高层剪力墙结构的最大适用高度及高宽比应满足水平荷载作用下的整体抗倾覆稳定性要求，并使设计经济合理。本工程的高宽比为2，小于“高规”规定的6。

3.2结构平面布置

1)在剪力墙结构中，剪力墙宜沿主轴方向或其他力向双向布置，如图1中所示。一般情况下，采用矩形、L形、T形平面时，剪力墙沿两个正交的主轴方向布置；二角形及Y形平面可沿3个方向布置；正多边形、圆形和弧形平面，则可沿径向及环向布置。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。剪力墙结构的侧向刚度不宜过大。侧向刚度过大，将使结构周期过短，地震作用大，很不经济。另外，长度过大的剪力墙易形成中高墙或矮墙，由于受剪承载力控制破坏状态，使延性变形能力减弱，不利于抗震。2)高层建筑结构不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构。短肢剪力墙较多时，应布置筒体，形成短肢剪力墙与筒体共同抵抗水平力的剪力墙结构，并应符合规范要求。

3.3结构竖向布置

1)一般普通剪力墙结构的剪力墙应在整个建筑上竖向连续，中间楼层不要中断。若剪力墙不连续，会使结构刚度突变，对抗震非常不利。2)为减少上下剪力墙结构的偏心，一般情况下，厚度宜两侧同时内收。外墙为保持外墙面平整、可只在内侧单面内收；电梯因安装要求，可以只在外侧单面内收。3)剪力墙的洞宜上下对齐，成列布置，使剪力墙形成明确的墙肢和连梁。成列开洞的规则剪力墙传力直接，受力明确，地震中不易因为复杂应力而产生严重震害。4)剪力墙相邻洞口之间以及洞口与墙边缘之间要避免小墙肢。试验表明：墙肢宽度与厚度之比小于3的小墙肢在反复荷载作用下，会比大墙肢早开裂、早破坏，即使加强配筋，也难以防止小墙肢的早期破坏。因此，在设计剪力墙时，墙肢宽度不宜小于3bw(bw为墙厚)，H不应小于500mm。5)抗震设计时，剪力墙结构底部加强部位的高度可取墙体总高度的1/10和底部两层二者中的较大值。

剪力墙的延性设计

在进行构件的正截面承载力设计时，构件的延性取决于构件受力时相对受压区高度的大小。当构件由受弯依次过渡到大偏压、小偏压、轴心受压时，构件的延性不断减小。剪力墙墙肢的底层往往是各楼层中轴压力最大的地方，若不对墙肢的轴压比进行限制，将使底层墙体的延性严重降低，延性降低将使结构消耗地震能量的能力减弱，在强震情况下更容易发生倒塌。由于地震时结构会产生水平力，该力在墙肢中引起的弯矩总是底部最大，故限制墙肢相对受压区高度的大小总是有利的。对于6度区的建筑结构，由于不需进行地震力的计算，使得在多遇地震下的内力计算结果是底层墙肢为小偏压，但仍然有必要进行混凝土受压区高度的控制，其目的是使墙肢在大震作用下具有更好的延性。

墙肢轴压力的大小是相对不变的，当地震强度增大时，主要增大的是墙肢的弯矩值和剪力值，这样可能使墙肢由小偏压构件向大偏压构件变化，相对受压区高度也会减小。对于大偏压构件，由于墙肢端部钢筋均能达到屈服，受压区高度的大小就完全由轴压力的大小决定，延性也就主要由轴压力的大小决定。因此，抗震设计时，各层短肢剪力墙在重力荷载代表值作用下产生的轴力设计值的轴压比，抗震等级为一级、二级、三级时分别不宜大0.4、0.5和0.6。

墙肢设计

1）墙肢的弯矩设计值。对于墙肢的弯矩，为了实现“强剪弱弯”的原则， 一般情况下对弯矩不作出增大的调整。2）墙肢剪力设计值。抗震设计时，为体现“强剪弱弯”的原则，剪力墙底部加强部位的剪力设计值要乘以增大系数。按“高规”规定，一、二、三级抗震等级剪力墙底部加强部位都可用调整系数增大其剪力设计值，四级抗震等级及无地震作用组合时可不调整。3）墙肢正截面承载力计算。墙肢轴力一般情况下压力，同时考虑到墙肢的弯矩影响，此时的正截面承载力计算应按偏心受压构件进行。当墙肢轴力出现拉力时，同时考虑到墙肢弯矩影响，此时的正截面承载力计算应按偏心受拉构件进行。因此，墙肢正截面承载力为正截面偏心受压承载力验算和正截面偏心受拉承载力验算两个方面。4）墙肢斜截面受剪承载力计算。为了使剪力墙不发生斜压破坏，首先必须保证墙肢截面尺寸和混凝土强度不致过小，只有这样才能使配置的水平钢筋能够屈服并发挥预想的作用。

墙肢边缘构件的设计要求。1）设计要求。剪力墙边缘构件分为约束边缘构件和构造边缘构件两种，一、二、三级剪力墙层墙肢底截面的轴压比大于表2的规定值时，以及部分框支剪力墙结构的剪力墙，应在底部加强部位及相邻的上一层设置约束边缘构件。2）构造要求。B级高度高层建筑的剪力墙，宜在约束边缘构件层与构造边缘构件层之间设置1~2层过渡层，过渡层边缘构件的箍筋配置要求可低于约束边缘构件的要求，但应高于构造边缘构件的要求。墙肢的构造要求。墙肢材料应满足强度，剪力墙应满足最小截面尺寸要求外，还应满足“高规”中的构造要求。

表2 剪力墙可不设约束边缘构件的最大轴压比

连梁设计

对墙肢间的梁、墙肢和框架柱相连的梁，当梁跨高比小于5时应按连梁设计。连梁的内力应进行调整，这种调整主要是剪力的调整，剪力的调整可能使剪力减小并带来弯矩的减小，也可能是在连梁弯矩不变的前提下将连梁剪力调大。

对于墙肢间的连梁，当出现连梁抗剪能力不能满足要求时，增大连梁的截面尺寸往往不能使连梁满足抗剪要求，这是因为连梁抗弯刚度的增大幅度吸引的剪力增量比由于截面尺寸加大而引起的抗剪承载力增量要大得多，这时减小连梁的截面尺寸可使情况变得更好。但是过多地减小连梁的截面尺寸将使墙肢之间的联系减弱并降低联肢墙的整体刚度和整体抗剪承载力。连梁的配筋还应满足相应的构造。

结语

剪力墙的概念设计包括剪力墙的受力特点、结构布置要求、延性要求等。在对延性剪力墙的设计原则进行介绍后，重点介绍了墙肢的设计和连梁的设计。

参考文献：

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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。