高层钢筋混凝土剪力墙结构抗震分析

【摘要】剪力墙作为高层钢筋混凝土结构的主要抗侧力构件，在地震作用下的受力特性直接影响结构在整个地震过程中的工作状态。本文讨论了剪力墙肢主要出现形式-联肢墙在地震作用下的受力特点，以及剪力墙如何实现在地震作用下表现良好的抗震抗剪性能。文中还专门分析了高长比较大的高层钢筋混凝土结构的剪力墙底部截面广义剪跨比较小的理由。

【关键词】高层；钢筋混凝土；剪力墙；抗震结构

在现代高层建筑中，钢筋混凝土剪力墙作为主要的抗侧力试件之一，它在地震作用下的工作性能将直接影响整个结构的性能。从历次震害来看，带有钢筋混凝土剪力墙的高层建筑从总体上讲，破坏程度较轻、可修复性高，这是由钢筋混凝土剪力墙刚度大、侧向变形小的特点决定的。但这些都要以剪力墙在整个地震过程中良好的工作状态为前提，而剪力墙的良好的工作性取决于其受力特性。侧向刚度大的特点决定了剪力墙在地震作用下承担了绝大部分水平作用，而大多数剪力墙都是以联肢墙的形式出现，其受力特点如图1所示。

图 1 水平荷载作用下联肢墙中的弯矩分布

联肢墙承担的地震作用下产生的弯矩由三部分组成：①联肢墙两肢的拉压轴力形成的力偶；②各个墙肢本身的抗弯能力所承担的弯矩；③联肢墙中的连梁所承担的弯矩。三者中墙肢拉压形成的力偶属于整体作用，占比例最大，各个墙肢的抗弯能力所承担的部分次之，所以剪力墙墙肢的抗弯能力容易得到保证。地震作用产生的剪力由各个墙肢截面本身的抗剪能力来承担，因此剪力墙肢的抗震抗剪性能就成了抗震剪力墙的关键问题。

一、剪力墙抗震抗剪性能分析

最早的素混凝土墙和弱分布筋混凝土墙虽然平面内的刚度大，但因混凝土抗拉强度低，加之墙的高长比不大，多属于“矮墙”，在地震作用下很容易发生以较宽交叉斜裂缝形式出现的剪切破坏，曾使人认为平面内受力的墙属于抗震性能不好的“脆性构件”。随着最早一批对配有一定数量水平及竖向分布筋的墙在平面内的低周往复抗剪性能试验的完成，开始认识到配筋合理的剪力墙在抗震条件下能具有所需的抗剪能力，特别是剪力墙的高长比增大后，已有可能把在平面内承受地震作用的剪力墙设计成不会先期发生剪切破坏的延性构件。所谓合理的配筋即是赋予剪力墙以合适的抗剪能力，而剪力墙的抗剪能力与剪力墙截面的广义剪跨比也有关系。至于剪力墙抗剪能力在什么水平才为合适，曾引发过一系列的争论。

曾有人提出应使抗剪能力大于抗弯能力，即不允许构件在正截面完全失效之前发生剪切破坏。但各国学术界占优势的看法是，这一要求过严，因为从延性设计角度允许剪力墙控制截面在强震下进入屈服后变形状态，但并不允许截面达到正截面强度极限，因此抗剪能力只要能可靠地维持到强震下预计的非弹性变形状态就已足够。因此剪力墙的抗震抗剪性能要求应是使墙肢在纵筋屈服后的非弹性动力反应循环变形过程中的非弹性变形达到抗震所需的某个延性水准之前不发生剪切失效。即在试验中应保持构件在纵筋未屈服前不发生剪切失效，并研究在纵筋屈服后构件能把抗剪能力维持到多大的非弹性变形水平。

曾有人误以为高长比相当大的剪力墙肢中的剪跨比肯定很大。但经分析实际工程中这类高长比很大的剪力墙肢后发现情况并非如此。这是因为剪力墙在抗震多、高层建筑中多是以框架-剪力墙的组合形式或是以联肢墙形式，或是这两者相结合的形式出现的。在框架-剪力墙结构（包括框架-核心筒结构）中，单独受力时具有剪切型侧向变形特征的框架在与单独受力时具有弯曲型变形特征的剪力墙或具有弯-剪型变形特征的联肢墙经各层平面内为无穷刚性的楼盖的连接而共同工作后，中下部剪力墙会对框架侧向变形起强烈制约作用，并承担相当大比例的层剪力，而顶部几层则变为由框架对剪力墙的侧向变形起制约作用，框架承担大部分层剪力（此时层剪力值已较小，故框架部分承担的剪力并非过大）。在地震激励的非弹性动力反应过程中，由框架对剪力墙的侧向变形起制约作用的上部楼层数还会因高振型影响而增多。这是导致剪力墙下部受一个方向弯矩作用的范围减小，下部楼层弯矩变化梯度增大的第一个原因。

在图2给出了本学科点经非弹性动力反应分析求得的某24层框架-剪力墙结构在相当于8度0.3g区罕遇水准的ElCentro波输入下底部截面弯矩最大时刻、剪力最大时刻的剪力墙肢弯矩图和剪力图，从中可以看出弯矩反号的楼层已在偏下部。另一方面，当剪力墙是以联肢墙的形式出现时，由于水平地震作用所产生的倾覆力矩中相当一部分是由墙肢轴力所构成的截面整体抗弯能力来抵抗的，这使得墙肢本身抵抗的弯矩明显减小，但由墙肢承担的水平剪力并未减小。这也是导致墙肢中广义剪跨比偏小的另一个重要原因。这也是国外所做的剪力墙抗剪试验研究很大一部分都是以较小剪跨比的试验构件。

图2

二、结论

1、经过合理设计的剪力墙能够达到较好的延性，合理设计指的是使抗剪能力介于抗弯屈服和抗弯极限承载能力之间，使剪力墙在抗弯屈服后，达到需求的非弹性变形后发生剪切破坏（未达到截面的抗弯极限承载能力）。

2、高长比很大的钢筋混凝土高层结构中的剪力墙底部截面剪跨比很小，在地震作用下剪力墙的破坏形式多为底部在反复荷载作用下发生剪切破坏。

参考文献：

[1]吴雁江.工字形截面钢筋混凝土墙抗震抗剪性能试验研究[D].重庆：重庆大学，2012.

[2]陈文科.8度区框剪和框筒结构反应性态分析[D].重庆：重庆大学，2013.