高层建筑剪力墙结构应力分析计算

【摘要】墙根据受力特点可以分为承重墙和剪力墙，前者以承受竖向荷载为主，如砌体墙，后者以承受水平荷载为主。剪力墙主要承受两类荷载：一类是楼板传来的竖向荷载，在地震区还应包括竖向地震作用的影响;另一类是水平荷载，包括水平风荷载和水平地震作用。剪力墙的内力分析包括竖向荷载作用下的内力分析和水平荷载作用下的内力分析。在竖向荷载作用下，各片剪力墙所受的内力比较简单，可按照材料力学原理进行。在水平荷载作用下剪力墙的内力和位移计算都比较复杂。本文着重讨论剪力墙在水平荷载作用下的计算分析。

【关键词】高层建筑;剪力墙结构;水平荷载;分类;计算

一、剪力墙结构的概述

建筑物的内外墙体采用实体钢筋混凝土结构体系，这种就称为剪力墙结构体系，承受建筑物垂直和水平方向的所有荷载。剪力墙结构体系的墙体都是钢筋混凝土构成的，而楼面是刚性楼盖构成，因此这种结构体系在平面有很强大的抗侧刚度，故属于刚性结构体系。剪力墙结构体系将建筑分成很多个独立的空间，这样建筑平面布置不灵活，不仅受到限制，而且造价高。所以一般应用与较高的抗震地区住宅建筑。其结构体系的特点是根据建筑平面的布局进行设置钢筋混凝土的墙体，有效改善空间使用情况和户型的美观改善。

二、剪力墙的分类

为满足使用要求，剪力墙常开有门窗洞口。理论分析和试验研究表明，剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙上的开洞情况。洞口是否存在，洞口的大小、形状及位置的不同都将影响剪力墙的受力性能。剪力墙按受力特性的不同主要可分为整体剪力墙、小开口整体剪力墙、双肢墙（多肢墙）和壁式框架等几种类型。

2.1整体剪力墙

无洞口的剪力墙或剪力墙上开有一定数量的洞口，但洞口的面积不超过墙体面积的15%，且洞口至墙边的净距及洞口之间的净距大于洞孔长边尺寸时，可以忽略洞口对墙体的影响，这种墙体称为整体剪力墙。

2.2小开口整体剪力墙

当剪力墙上所开洞口面积稍大且超过墙体面积的15%时，在水平荷载作用下，这类剪力墙截面上的正应力分布略偏离了直线分布的规律，变成了相当于在整体墙弯曲时的直线分布应力之上叠加了墙肢局部弯曲应力，当墙肢中的局部弯矩不超过墙体整体弯矩的15%时，其截面变形仍接近于整体截面剪力墙，这种剪力墙称之为小开口整体剪力墙。

2.3联肢剪力墙

当剪力墙沿竖向开有一列或多列较大的洞口时，由于洞口较大，剪力墙截面的整体性已被破坏，剪力墙的截面变形已不再符合平截面假设。这时剪力墙成为由一系列连梁约束的墙肢所组成的联肢墙。开有一列洞口的联肢墙称为双肢墙，当开有多列洞口时称之为多肢墙。

2.4壁式框架

当剪力墙的洞口尺寸较大，墙肢宽度较小，连梁的线刚度接近于墙肢的线刚度时，剪力墙的受力性能已接近于框架，这种剪力墙称为壁式框架。

不同类型的剪力墙，其相应的受力特点、计算简图和计算方法也不相同，计算其内力和位移时则需采用相应的计算方法。以下分别介绍几种常见剪力墙的内力与位移计算方法。

三、剪力墙在水平荷载作用下计算

对于整体剪力墙，在水平荷载作用下，根据其变形特征，可视为一整体的悬臂弯曲杆件，用材料力学中悬臂梁的内力和变形的基本公式进行计算。

（1）内力计算。按上端自由，下端固定的悬臂梁计算其任意截面的弯矩和剪力。

（2）位移计算。在位移计算时，由于剪力墙的截面高度较大，应考虑其剪切变形影响。当开洞时，应考虑洞口对位移增大的影响。

剪力墙结构是一个比较复杂的空间结构，为了简化，剪力墙在水平荷载作用下计算时，作如下假定：（1）楼板在其自身平面内的刚度极大，可视其为刚度无限大的刚性楼盖。（2）剪力墙在其自身平面内的刚度很大，而在其平面外的刚度又极小，可忽略不计。因此可以把空间结构化作平面结构处理，即剪力墙只承受在其自身平面内的水平荷载。基于以上两个假定，剪力墙结构在水平荷载作用下可按各片剪力墙的等效抗弯刚度分配水平力给各片剪力墙，然后分别进行内力和位移计算。同时，现行国家标准《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）为考虑纵、横墙的共同工作，将纵墙的一部分作为横墙的有效翼缘，横墙的一部分也可以作为纵墙的有效翼缘。剪力墙的等效抗弯刚度是一个非常重要的概念，是指按剪力墙顶点侧移相等的原则，考虑弯曲变形和剪切变形后，折算成一个竖向悬臂受弯构件的抗弯刚度。

四、小开口整体墙的内力及位移计算

小开口整体墙的洞口总面积虽超过了墙总立面面积的15%，但总的来说洞口仍很小，其受力性能仍能接近于整体剪力墙，各墙肢中仅有少量的局部弯矩，在沿墙肢的高度方向，弯矩图形不出现反弯点。因此，在计算中仍可用材料力学公式计算其内力和侧移，但须考虑局部弯曲应力的作用，作一些修正。

（1）内力计算。先将小开口整体墙作为一悬臂构件，算出其标高之处的截面所承受的总弯矩MFZ和总剪力VFZ。

（2）侧移。小开口整体墙的侧移计算仍可按整体剪力墙公式计算，但应考虑洞口对截面刚度的削弱。因此，应将计算结果乘侧移增大系数1.2，即Δ小开口墙=1.2Δ按整体截面墙计算

五、剪力墙应用的选择

以上讨论了按整体计算的剪力墙、小开口整体剪力墙、双肢墙、多肢墙等四种类型的剪力墙，它们因外形和洞口大小的不同，受力特点也不同，不但在墙肢截面上的正应力分布有区别，而且沿墙肢高度方向上弯矩的变化规律也不同。设计时应首先判断它属于哪一种类型，然后再用相应的计算方法求出它的内力及侧移。

剪力墙的整体性是划分剪力墙类型的重要标志之一。各类剪力墙的整体性可通过剪力墙的整体性系数α来体现。α值实际上反映了连系梁与墙肢之间刚度的比值，体现了整个剪力墙的整体性，可以利用α这一参数作为判别剪力墙类型的准则之一。但α的大小只反映了剪力墙整体性的好坏，它不能反映在墙肢层间是否会出现反弯点。

墙肢是否出现反弯点，与墙肢惯性矩的比值，整体性系数α，层数n等因素有关。各类剪力墙划分如下：若剪力墙连系梁的刚度和墙肢宽度基本均匀，整体性系数α≥10，按小开口整体墙计算。若洞口面积与剪力墙立面总面积之比不大于0.15，且洞口净距及孔洞至墙边的净距大于洞口的长边尺寸时，一般可作为整体剪力墙考虑。

六、在高层建筑中剪力墙结构设计注意事项

（1）剪力墙要沿着主轴方向或者其他方向双向进行布置，并且从下到上连续布置，以免刚度突变。

（2）高层建筑结构中采用了抗震设计，楼层侧向的刚度最好不要小于相邻上下楼层侧向刚度的百分之七十，或是其向上相邻层侧向刚度平均值的百分之八十。当把地下室顶板作为上部结构的嵌固端时，地下室的楼层侧向刚度不应小于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍。

七、结束语

随着我国经济的发展，我国的高层建筑也不断的扩大规模，而在高层建筑中就会大量的应用剪力墙结构，而高层结构剪力墙计算就会出现各种问题。对于工程框架结构来说，剪力墙结构室内无柱梁的棱角露出，很美观，而且使用功能也好，并且使用面积也增大了，所以很受欢迎。

参考文献

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