刍议高层住宅剪力墙结构设计

摘要：在剪力墙设计中，要根据其受力的特点,充分掌握和了解其受力特点和破坏机理后,并选择合理的布置形式,正确掌握计算分析方法,它将在多、高层的住宅中有着广阔的发展前景。

关键词：结构设计；剪力墙；设计优化

中图分类号：TU318文献标识码： A

一、高层建筑剪力墙结构的概念设计

剪力墙结构在水平力作用下侧向变形的特征为弯曲型。剪力墙结构承受竖向荷载及水平荷载的能力都较大。其特点是整体性好，侧向刚度大，水平力作用下侧移小，并且由于没有梁、柱等外露与凸出，便于房间内部布置。在水平地震作用下，高层短肢剪力墙结构主要表现为整体弯曲变形，底部的小墙肢承由于竖向荷载较大，破坏严重，特别是一字形小墙肢的破坏最为严重。可增加建筑物周边墙肢长度或连梁高度来消除扭转不规则，从而使结构的抗扭刚度明显增大。为了提高墙肢的承载力和延性，还需加强边缘构件配筋，增大这些部位墙肢纵筋和箍筋的配筋率，严格控制轴压比。

二、剪力墙布置

剪力墙布置除应符合规程中有关规定外，在本文中进一步对剪力墙的布置提出了一些要求，其中关于短肢剪力墙和梁、墙布置都属于本文着重阐述的内容。

1、双向布置剪力墙及抗侧刚度

高层建筑应有较好的空间工作性能，剪力墙结构应双向布置，形成空间结构。在抗震结构中，应避免单向布置剪力墙，并宜使两个方向抗侧刚度接近，即两个方向的自振周期宜相近。

另一方面，剪力墙的抗侧刚度及承载力均较大，为充分利用剪力墙的能力，减轻结构重量，增大剪力墙结构的可利用空间，墙不宜布置太密，使结构具有适宜的侧向刚度。

2、竖向刚度均匀

剪力墙布置对结构的抗侧刚度有很大影响，剪力墙沿高度不连续，将造成结构沿高度刚度突变，所以应要求剪力墙自上到下连续布置。允许沿高度改变墙厚和混凝土等级，或减少部分墙肢，使抗侧刚度沿高度逐渐减小。

3、墙肢高宽比

细高的剪力墙容易设计成受弯曲破坏的延性剪力墙，从而可避免脆性的剪切破坏。在抗震结构中剪力墙结构应具有延性，设计中墙的高宽应比不应小于2。当墙的长度很长时，为了满足每个墙段高宽比大于2的要求，可通过开设洞口将长墙分成长度较小、较均匀的独立墙段，每个独立墙段可以是整体墙，也可以是联肢墙。

4、剪力墙洞口的布置

剪力墙洞口的布置，会极大地影响剪力墙的力学性能。因此，布置剪力墙洞口时应满足以下3方面要求。

4.1规则开洞，洞口成列、成排布置，能形成明确的墙肢和连梁，应力分布比较规则，又与当前普遍应用程序的计算简图较为符合，设计结果安全可靠。同时宜避免使墙肢刚度相差悬殊的洞口设置；

4.2 对于错洞剪力墙和叠合错洞墙，二者都是不规则开洞的剪力墙，其应力分布复杂，容易造成剪力墙的薄弱部位，常规计算无法获得其实际内力，构造比较复杂。其主要特点是洞口错开距离很小，甚至叠合，不仅墙肢不规则，洞口之间形成薄弱部位，叠合错洞墙比错洞口墙更为不利，设计时应尽量避免。当无法避免叠合错洞布置时，应按有限元方法仔细计算分析并在洞口周边采取加强措施或采用其他轻质材料填充将叠合洞口转化为规则洞口的剪力墙或框架结构；

4.3具有不规则洞口剪力墙的内力和位移计算应符合规程的有关规定。目前除了平面有限元方法外，尚没有更好的简化方法计算。对结构整体计算中采用了杆系、薄壁杆系模型或对洞口作了简化处理的其他有限元模型时，应对不规则开洞墙的计算结果进行分析、判断，必要时应进行补充计算和校核。

5、剪力墙和加强部位

5.1抗震结构中出现塑性铰的部位应作为加强部位。而剪力墙顶层、楼电梯间墙等不宜作为加强部位，这样作的目的是对塑性铰部位可以有更明确的措施，与由于温度、收缩等需要的加强措施区别；

5.2剪力墙塑性铰出现后，剪力墙应具有足够的延性，剪力墙底部塑性铰出现都有一定范围，该范围内应当加强构造措施，提高其抗剪切破坏的能力；

5.3为安全起见，设计剪力墙时将加强部位范围适当扩大，抗震设计时，一般剪力墙结构底部加强部位的高度可取墙肢总高度的1/8和底部两层二者的较大值，当剪力墙高度超过150m时，为避免加强区太高，其底部加强部位的高度可取墙肢总高度的1/10。

三、高层住宅建筑的剪力墙结构设计方法

高层建筑的剪力墙结构设计，需要根据建筑行业规范的基本要求进行综合考察，对其结构的合理性进行分析，例如：剪力墙结构不宜设计过大的刚度，具体设计值应该以建筑行业规范所规定的楼层最小剪力系数为目标值，调整设计参数以控制计算结果无限接近规范限值，同时满足楼层层间的最大位移与层高之比符合规范限值。

1、根据不同的剪力墙结构特点，设计符合实际需求的墙体结构。

抗震设计时，高层建筑的一般剪力墙和简体墙所承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50%，工程上将该数值落在40%～50%区间以内的情况称为短肢剪力墙结构。高层建筑的剪力墙结构设计应该严格遵循《高层建筑混凝土结构技术规程》中的相关规定，该规程严格规定出高层建筑结构不应该全部设计为短肢剪力墙结构。经分析发现，当建筑结构的短肢剪力墙设计较多的情况下，应该尽量采用布置简体的形式或者直接选用一般剪力墙结构，进而形成由短肢剪力墙与一般剪力墙共同抵抗水平力的剪力墙结构。

2、合理优化剪力墙的外形及尺寸，设计最佳比例的剪力墙结构。

在高层建筑的剪力墙设计过程中，需要特别注意保证其结构的竖直方向和水平方向具有最佳的刚度和载荷分布，尽量将剪力墙的墙肢截面高度设计为比8倍墙厚稍大，两间合并布置应选择大开间剪力墙，否则应尽量避免按照开间布置，以满足竖向载荷传递需求。剪力墙的形状设计应该尽量选用有利于剪力墙结构稳定性的“L”形和“T”形两种，这种结构同时能够保证剪力墙具有较好的侧向刚度，减轻墙体自重，减小结构体积，降低工程投资额度。根据工程设计经验，剪力墙中以“L”形及“T”形设计最为常用，当一个方向的剪力墙符合一般剪力墙设计要求时，另一个方向的剪力墙不宜设计过短，以免出现较大的配筋，因此应该控制在1m左右，并且墙端暗柱配筋应以接近构造配筋为佳。

3、合理利用剪力墙结构设计来处理地下室及建筑地基基础。

高层建筑一般会附带地下室部分，因此对于地基基础设计具有特殊的要求。一般而言，对于自然条件较好的施工区域，可以因地制宜，采用天然地基或复合地基。如果建筑楼宇的层数超过十层以上，则多采用比较经济的梁板式筏形基础；如果建筑楼宇的层数超过二十层以上，则最适合采用平板式筏形基础。无论采取哪种基础形式，其具体方案的确定都需要充分参考剪力墙的间距设计，同时受到结构的抗震设防烈度、层数、地下室结构等因素的综合影响。

结束语

随着人们对住宅，特别是高层住宅平面与空间的要求越来越高，原来普通框架结构的露梁露柱、普通剪力墙结构对建筑空间的严格限定与分隔已不能满足人们对住宅空间的要求。于是在原有剪力墙的基础上，吸收了框架结构的优点，逐步发展形成了能适应人们新的住宅观念的高层住宅结构型式，即“短肢剪力墙结构”和“异形柱框架结构”型式。这两种新的结构由于在很大程度上克服了普通框架与普通剪力墙结构的缺点，受到了多数人的肯定和欢迎，所以短肢剪力墙结构得以普遍应用。短肢剪力墙的受力、变形特征，类似以框剪结构。但比框架结构的刚度分配、内力分配更合理，而结构的变形协调导致的竖向位移差别，也比框剪结构小。

参考文献

［1］GB50011－2010，建筑抗震设计规范.中国建筑工业出版社， 2013．

［2］JGJ3－2002，高层建筑混凝土结构技术规程.中国建筑工业出版社，2014．

［3］沈蒲生.高层建筑结构设计．中国建筑工业出版社，2014．