高层住宅剪力墙结构设计与探讨

[摘要]本文对剪力墙结构的剪力墙布置、结构分析、构造措施进行了详细的讨论

[关键词]剪力墙布置；计算分析；构造措施

引言

在高层住宅的各类结构体系中，钢筋混凝土剪力墙结构刚度大，空间整体性好，在水平力作用下侧向变形小，有利用避免设备管道及非结构构件的破坏，没有梁柱等构件的外露、凸出，空间使用效率高。因而成为高层住宅中最主要结构形式之一。在确保结构安全及建筑使用功能的前提下，应充分发挥构件的受力特性，优化结构设计，做到技术可行、经济合理。

1.结构布置

1.1剪力墙布置

在高层住宅剪力墙结构中，剪力墙墙身用钢量约占整个结构的主要因素，因此剪力墙布置的优劣直接关系到整个结构的经济指标。剪力墙布置的基本原则是：尽量减少剪力墙数量，且各墙肢布置时应考虑如何减少边缘构件，以期通过布置较少的抗侧力构件获得满足规范要求的抗侧、抗扭刚度。具体措施如下：

（1）强周边、弱中部

剪力墙尽可能布置在结构周边护墙位置，必要时可利用房间窗台设置高连梁以加强刚度。在结构中部宜减少剪力墙的布置量（如中部楼电梯同附近），以便于提高主体结构的抗扭刚度，控制结构的周期性与位移比，同时有利于建筑外墙防水。

（2）多均匀长墙（长度≤8m），少短墙

在保证竖向及水平承重情况下，要选择对结构承受水平及竖向荷载有利的隔墙位置设置剪力墙，尽量拉大剪力墙的布置间距，避免在较小的间距内布置多道剪力墙。通过加长剪力墙墙肢长度，减少剪力墙数量，使结构整体抗侧刚度增加，边缘构件数量减少，且由于墙间距拉大，增加了建筑平面布置灵活性。

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）（简称高规）7.1.2条规定的每个独立墙段的总高度与其截面高度之比不宜小于3，墙肢截面高度不宜大于8m。目的是使墙段成为以弯曲破坏在先，剪切破坏在后的高墙，避免矮墙。要避免在一个结构单元中只有个别截面高度大于8m的大墙肢而多数为较小墙肢，一旦遭受强烈地震，大墙肢首先破坏，仅分担较小剪力的小墙肢被各个击破现象。一般来讲可通过在长墙中部设置洞口弱连梁方式分为两个短墙肢，但设置洞口会增加边缘构件数量及施工难度从而增加工程成本。可采取以下处理方式供参考：1）当长墙位于结构中部楼电梯间附近，可在结构分析中建立有洞及无洞两种模型分别进行分析，若开洞与否对周期比及位移比（即结构的扭转效应）影响较小时，施工图设计时不设置洞口，长墙按无洞模型配筋，其余构件按有洞模型配筋；2）当一个方向的长墙不少于四道且均匀布置时，可按整截面墙进行结构分析及截面设计；3）其余情况应按设置洞口弱连梁方式处理。

（3）多L形、T形、＋字形墙肢，少复杂形状转折

在布置剪力墙时，应考虑剪力墙连续转折及小墙垛布置对边缘构件的影响，减少暗柱数量及避免设置不必要的大暗柱，因墙体转折处必须设置暗柱。电梯井处往往是大暗柱设置区，为此应尽量避免在墙肢中部布置短横墙及小墙垛。

（4）多连续，少半框

应尽量将结构两个方向的剪力墙通过连梁或框架梁连成整体，形成贯穿整个结构宽度或长度的抗风、抗震结构，避免独立墙肢或半框架墙肢出现，这有利于增加结构的整体抗侧刚度，从而以较少的剪力墙布置量来满足层间位移角限值等要求。这就是有的项目剪力墙虽少但刚度较大，有的项目剪力墙虽多但刚度反而较小的原因。

（5）沿高度均匀变化

剪力墙厚度应沿结构高度均匀变化，避免刚度突变。剪力墙墙肢厚度和混凝土强度等级沿高度宜逐渐减小，厚度和混凝土强度等级不宜在同一楼层改变，应相隔1-2层，墙厚度每次减少50-100mm。

1.2外墙转角窗

剪力墙结构不宜在外墙角部设置转角窗，如必须设置，应予以加强：在角窗两侧墙肢厚度不小于250mm，且不小于层高的1／15，并沿全高设置约束边缘构件，转角梁高度取楼板上下窗间高度，并加强配筋构造，转角窗房间的楼板应加厚并不小于150mm，配筋应适当加大，并配置双向双层钢筋。必要时转角处板内设置连接两侧墙肢的暗梁。

1.3短肢剪力墙

（1）短肢剪力墙结构实属扁形柱子的框剪结构，此种结构的受力和抗风、抗震性能远不及一般的框剪结构，更不及一般的剪力墙结构。因此，高规7.1.8-2条规定的适用高度远低于一般框剪结构和剪力墙结构，同时还对此种结构的多项内容作了更严的规定。

（2）短肢剪力墙是指墙厚度不大于300mm，各墙肢截面高度与厚度之比为4-8的剪力墙，一般剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比大于8的剪力墙。但对于墙肢两侧均与较强的连梁（连梁净跨与连梁截面高度之比小于等于2.5）相连时或有翼墙相连的短肢墙（翼缘长度不应不小于翼墙厚度的5倍），可不作为短肢剪力墙。

（3）短肢剪力墙较多的剪力墙结构是指在规定水平地震作用下短肢剪力墙承担的底部倾覆力矩不小于结构底部总地震倾覆力矩的30％，但不宜大于50％的剪力墙结构。

现在有些工程，把结构单元中相当数量的一字形、两侧为框架梁或无翼墙、截面高度与厚度之比为8.2-8.5的剪力墙肢，按一般剪力墙对待。这种做法是以规范、规程最低要求钻“空子”，而不是从抗震设计概念正确处理，对于有抗震设防，尤其7度以上地区的高层建筑结构设计不可取。

2.结构分析

2.1计算中若干问题的处理

（1）计算调整

若层间位移角不满足规范要求，可采取以下措施：查看位移文件以确定哪些楼层位移角超限，一般情况是结构中上部楼层，若超限不多，可通过提高剪力墙变厚度位置加以解决，否则需增加剪力墙的布置量或关键连粱的高度。若周期比、位移比不满足规范要求，可采取以下措施：1）将结构周边程序定义为连梁的梁改为框架梁或增加连梁高度；以增加结构刚度；2）减少结构中部剪力墙布置量及降低连梁高度以增大结构的平动周期而间接改善周期比、位移比；3）查看结构空间振型曲线，找出位移最大点，在该位置处适当增加剪力墙布置量，再计算以使周期比、位移比、层间位移角满足规范要求。若层间位移角较规范限值富余较多，应适当调整梁布置及减小梁截面，将部分连接复杂的梁改为铰接梁，以降低梁刚度，从而减小地震作用，降低成本。

（2）连梁超筋：计算分析中，个别连梁超筋经常出现。对超筋连梁，加高连梁的方式一般来说收效不大，应扩大洞口宽度或减小梁截面，增大连梁的跨高比，减小该片联肢墙刚度，转移其承担的部分地震力，从而降低连粱内力达到不超筋的目的；对调整确有困难的梁，若有其他可靠水平力传递路径也可以通过降低梁的弯剪刚度而不减小梁截面的方法进行调整。

（3）剪力墙端拐角处的小墙垛，若非特别要求，计算分析中可不建立此类构件的模型，因计算结果表明小墙垛超筋或配筋较大的现象普遍存在（若因连接较大跨度梁造成计算配筋较大应按实际配筋），给截面配筋设计带来较大困难。

（4）框一剪结构进行剪力调整的目的，是让作为第二道防线的框架有足够的安全储备，对仅有少量柱的剪力墙结构，柱起不到第二道防线的作用，可以不做剪力调整，笔者认为框架柱承担倾覆力矩比不到10％的可不进行调整。

3.构造措施

3.1墙配筋

（1）对带翼缘的边缘构件为计算配筋且配筋量较大时，建议用“剪力墙组合配筋”重新计算该边缘构件，该边缘构件总体配筋会减少15％～40％，计算初值选默认的构造配筋值。

（2）当剪力墙洞口面积与墙面积之比不大于0.16且洞口净距及洞口至墙边距离大于洞口长边尺寸时，因开洞形成的一字形墙可不作为单片墙宜接整个墙段计算，内部洞口两侧可仅配构造边缘构件。

（3）当剪力墙混凝土强度等级为C50-C60且墙较长时或顶层外墙等温度应力影响较大的区域，为减少混凝土收缩及温度应力引起的裂缝，应加大水平分布钢筋的配置量。

（4）剪力墙顶部应设置暗梁，以便连梁、框架，梁纵筋及剪力墙竖向钢筋锚固，暗梁高度400-500mm，按构造要求配置纵筋和箍筋。

（5）无上部剪力墙相连的地下室墙，均无需设置边缘构件，洞口按构造配筋。因为无上部剪力墙相连的地下室，一般均属矮墙，以承受竖向轴力和剪力（外墙尚有平面外荷载），墙肢平面内为非偏心受压构件。

4.结语

本文对剪力墙结构设计从剪力墙布置、结构计算分析及调整，结构等方面进行探讨，对连梁超筋的处理、含少量框架物剪力墙结构等提出了建议，供设计参考。