高层剪力墙结构设计选型问题研究

【摘要】本文首先阐述了剪力墙的含义、特点、分类以及其设计需遵循的基本原则，在此基础上重点讨论了不同特点的高层住宅剪力墙的选型。

【关键词】高层剪力墙；设计原则；选型

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

一、引言

改革开放以来经济取得了飞速发展，基础设施建设也日趋完善，特别是近几年来，城市化进程加速、加深，各种高层建筑拔地而起，剪力墙是高层建筑的组成部分及常见的结构施工技术，剪力墙以其良好的抗震及抗移等优点获得了广泛应用，剪力墙施工前需要根据住宅特点选择合适的类型，这样才能保证其发挥应有的作用。

二、剪力墙结构的概述

1.剪力墙结构的含义

剪力墙结构即是指建筑墙肢的截面高度与厚度的比值在5—8范围内的剪力墙体。当建筑结构内的剪力墙比较多时，多采用筒体和剪力墙共同抵抗水平作用力的剪力墙结构。而在高层建筑的结构中则不宜采用全部剪力墙的结构设计。剪力墙结构的抗震设计，要求墙体承受的第一振型的底部地震倾覆力矩不小于其结构总底部所承受地震倾覆力矩的一半。同时，当墙体较少时，其承受地震倾覆力矩范围可以减少为15％～40％。

2.剪力墙的特点及分类

（一）剪力墙的特点主要包括：

（1）优点：侧移小、抗侧刚度大，吸收地震能量大、结果后自重大，室内墙面平整。

（2）缺点：造价较高、施工程序复杂。

（二）剪力墙的分类主要包括以下几种类型：

（1）实体墙。即为没有开洞或者其开洞面积小于15%的墙体。实体墙的受力特点为墙体的弯矩图既不产生反弯点，也不会发生突变。

（2）整体小开口的剪力墙。即为开洞面积在15%以内的墙体。它的受力特点为墙体的弯矩图不会发生反弯点，但在连梁处会发生突变。

（3）双肢或多肢的剪力墙。即为洞口成列状分布或者开洞比较大的墙体。这种剪力墙的受力特点与整体小开口的剪力墙大体相似。

（4）壁式框架剪力墙。即为洞口尺寸较大，墙肢线刚度与连梁线刚度较为接近的剪力墙。它的受力特点为弯矩图会在楼层处产生突变，并在建筑的大多数楼层内产生反弯点。

3.剪力墙的结构设计原则

在进行剪力墙的结构设计时，要遵循以下几个方面的原则：

（一）楼层层高与层间最大位移之比的原则。即为在规定和规范遭遇地震作用较多的建筑楼层的最大弹性层间位移值时，除了以变形弯曲为主要形式的高层建筑外，在计算其他建筑时可以不扣除其结构整体的弯曲变形，而转为计算扭转变形。在通常的高层建筑结构计算中，其剪力墙结构的设计计算的重点多为楼层间的扭转变形和剪切变形。其中，剪切变形的控制多是由竖向构件的数量决定的，但竖向构件过多时会引起结构的扭转变形，因此，其对高层建筑的结构设计应该尽可能地减小扭转变形。

（二）连梁超限的原则。这一原则主要指的是在进行剪力墙的设计时，其连梁的跨高比值一般要大于2.5。因为若连梁的跨高比值在2.5以下，则容易造成墙体的弯矩和剪力值超过技术所规定的限值。

（三）楼层最小剪力系数的原则。即指在设计剪力墙的承受地震倾覆力矩值时，要在不超过规定系数范围的前提下尽量地减少剪力墙的布置，以便于楼层的最小剪力系数尽可能地接近设计要求所规范的限值。

三、剪力墙结构选型方案

1.层数较少(20 层以下) 的高层住宅

20 层以下的高层住宅采用传统的现浇剪力墙设计结构，各墙肢轴压比的计算值常常较小，墙体配筋为构造配筋墙体的承载能力不能很好发挥出来，工程花费偏高，这种情况下，如果采用一种经改良的现浇剪力墙结构———属于联肢剪力墙的短肢剪力墙结构(整体系数保持在3. 5 左右)，上述缺点就能到获得解决。短肢剪力墙结构的具体方式是：将位于建筑平面中部抗侧刚度很大的楼梯间、电梯间作为一个抵抗水平力的抗剪核心筒，这个核心筒有多片剪力墙构成，用以抵抗大部分由风荷载和地震作用引起的水平力。 通常情况下，此区域剪力墙不做成短肢墙，当某片剪力墙的长度大于8 m 时，中间开一个结构洞，使其成为双肢剪力墙。 除核心区外的其他所有的剪力墙，根据其所处位置的不同，将其划分成若干个L 形、T 形或一字形短肢剪力墙，这些短肢剪力墙的墙肢长度一般为4～6 bw ( bw 为剪力墙厚度) ，但尽量避免出现长度小于3. 5 bw的小墙肢. 如果出现了，要将小墙肢配筋加强。建筑平面上此部位短肢剪力墙主要承担结构的竖向荷载。连梁连接各墙肢，共同工作，使整个结构构成一个优秀的的抗震体系. 在7 度区，20 层以下的高层住宅利用短肢剪力墙结构，结构顶点位移、周期、底部剪力一般均可控制在合理范围内。

2. 层数较高的高层住宅

目前，高层住宅建筑绝大部分采用的是现浇剪力墙结构体系，其特点是住宅平面形状布置较为灵活，可根据采光通风的需求形成凹凸的平面布置，达到室内空间规整、无外露梁柱的效果，适合当前大多以毛坯交房的消费习惯。但从住宅产业化角度来看，这种结构体系由于构件数量多，不利于工业化生产，特别是国家的预制结构体系相关标准还未发行。若剪力墙采用全预制形式，由于水平及竖向接缝过多、过长，结构的整体性难以得到保证，相应的整体计算方法也有待于进一步研究，且当前国内相关的研究及试验较少，特别是此类结构还未经受过大震的检验。相对于剪力墙结构，框架-剪力墙结构具有如下优点: 梁、柱等预制构件为线性构件，可以控制自重，有利于现场吊装，节点连接区域采用现浇，能

够保证结构的整体性，比较适合装配式结构。室内可采用轻质隔断，形成灵活多变的布局形式，对住宅内部进行精装修处理，可有效避免外露梁、柱造成的影响。基于对上述因素及业主要求的综合考虑，决定选用框架-剪力墙结构体系

3.节能的高层住宅

预制装配式剪力墙结构是实现住宅产业化和建筑节能节排的有效途径之一，长期以来，混凝土建筑主要采用现场施工的传统作业方式，工业化程度低，水耗、能耗、人工垃圾、污水排放量大，不符合国家节能和环保的可持续发展政策。采用装配式结构，可以工厂预制、现场装配，实现住宅产业化，同时可以有效提高材料在建筑节能和结构性能的效率、节约能源与资源，减少建筑垃圾和环境的不良影响、降低施工场地限制等。近10 年来，我国在装配式混凝土建筑方面的研究也在逐渐升温，为提高预制装配式结构性能和实现住宅产业化提供了重要技术基础。截止2012 年9 月在全国先后批准建立了27 个国家住宅产业化基地，中国建筑科学研究院、清华大学、东南大学、哈尔滨工业大学、万科企业股份有限公司、黑龙江宇辉建设集团、天津住宅集团等多家单位开展了相关技术研究，并在一些房地产开发项目中得到了一定规模的示范和应用。剪力墙结构是多高层住宅建筑最常用的结构形式，因此开发适合于产业化的预制装配式剪力墙结构住宅建筑，是住宅产业化的发展趋势。

从国内外的研究和应用经验来看，与装配式框架结构相比，装配式剪力墙结构中存在更大量的水平接缝、竖向接缝以及节点，将预制构件连接成整体，使得整个结构具有足够的承载能力、刚度和延性，以及抗震、抗偶然荷载、抗风的能力，因此，这些节点和接缝的受力性能直接决定结构的整体性能，因此，受力合理、方便施工的墙板节点和接缝设计是装配式剪力墙结构设计的关键技术，是决定该结构形式能否推广应用的重要影响因素。

四、结束语

剪力墙选型是剪力墙设计初始也是关键的工作，其选型工作是一项复杂的系统工程，需要结合地形、建筑物的特点等各种因素。

参考文献：

[1]姚琦. 高层住宅剪力墙结构的优化控制因素探讨[D].重庆大学,2006.

[2]李晓莉. 短肢剪力墙结构的抗震性能及设计理论研究[D].西安建筑科技大学,2007.

[3]王涛. 高层住宅剪力墙结构设计与研究[D].山东大学,2008.