简析房屋建筑中剪力墙结构设计问题

摘要：随着社会经济的不断发展，人们对住房的要求越来越高，同时城市中可用的土地越来越少，在城市建筑中多层建筑正逐渐被高层建筑所代替。本文主要对建筑中剪力墙结构设计中的一些具体情况进行分析。

关键词：剪力墙；结构设计；连梁设计

Abstract: With the continuous development of the socio-economic, housing requirement is higher, less and less available land in the city, multi-floor buildings in urban architecture is gradually replaced by rise buildings. This paper analyzes the specific circumstances of the shear wall structure design.Key words: shear wall; structural design; coupling beam design

中图分类号：TU209文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）02-

1.剪力墙的性能及优缺点

剪力墙由墙肢和连梁两种构件组成。其结构承载力及刚度都很大, 侧移变形小, 抵抗水平侧移能力强。经过合理设计可做成抗震性能很好的延性剪力墙, 无论在非地震区及地震区都很适用。缺点是由于剪力墙最大间距的限制, 使建筑平面和使用空间受到一定的局限。结构的延性一般不如框架结构和框架剪力墙结构体系, 结构自重较大, 总高度不大时结构材料耗费可能较多。但同时由于剪力墙结构刚度大, 整体性好, 在高层住宅、旅馆、商住楼等建筑中, 居室和客房均为小房间,分隔墙较多, 采用现浇剪力墙结构, 可以将承重墙与分隔墙合二为一, 室内较框架结构、框架-剪力墙结构简洁, 一般没有露梁、露柱现象。外形美观, 便于室内布置, 可较好地满足使用功能, 且增大了使用面积。因此受到了开发商和业主的广泛欢迎。

2.剪力墙结构设计具体分类布置

2.1墙肢的分类和结构布置

2.1.1 墙肢的分类

剪力墙根据墙肢的高厚比分为一般剪力墙和短肢剪力墙。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, 短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为 5~ 8的剪力墙。剪力墙根据墙面开洞大小的情况, 还可分为整截面墙、整体小开口墙、联肢墙和壁式框架。当剪力墙的墙肢截面高度 hw与厚度 b w之比小于 5时均称为小墙肢。其中, 当 hw /b w不大于 3时, 宜按框架柱进行截面设计, 轴压比、剪压比和箍筋体积配筋率按相应抗震等级框架柱进行控制。

2.1.2剪力墙的结构布置

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。特别是在抗震设防区, 应避免单向布置剪力墙, 并宜使两个方向刚度接近。剪力墙平面上分布要力求均匀, 使其刚度中心和建筑物质心尽量接近,以减小扭转效应。必要时通过改变墙肢长度和连梁高度调整刚心位置。剪力墙抗侧刚度大, 结构自振周期短, 所受水平地震作用较大, 对结构不利。可充分利用剪力墙的抗侧刚度及承载力均较大的能力, 尽量减薄纵横墙体的厚度, 加大墙体的间距, 减少墙体数量, 以降低结构的抗侧移刚度, 减轻结构重量, 减少墙体的水平地震剪力和弯矩。剪力墙的特点是平面内刚度及承载力大,而平面外刚度及承载力都相对很小。当剪力墙与平面外方向的梁连接时, 会造成墙肢平面外弯矩。当梁高大于 2倍墙厚时, 梁端弯矩对墙平面外的安全不利, 因此应采取措施, 如增加暗柱或壁柱, 以保证剪力墙平面外的稳定安全。对截面较小的楼面梁可设计为铰接或半刚接, 减少墙肢平面外弯矩。

2.1.3边缘构件的设置

剪力墙两端和洞口两侧应设置边缘构件，边缘构件分为约束边缘构件和构造边缘构件。一、二、三级剪力墙底层墙肢底截面的轴压比大于高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010（以下简称“高规”）表7.2.14的规定值时，以及部分框支剪力墙结构的剪力墙，应在底部加强部位及相邻的上一层设置约束边缘构件，其余部分应设置构造边缘构件。B级高度建筑的剪力墙，宜在约束边缘构件层与构造边缘构件层之间设置1~2层过渡层，过渡层边缘构件的箍筋配置要求可低于约束边缘构件的要求，但应高于构造边缘构件的要求。

2.2墙肢长度和厚度的选取

2.2.1 墙肢的长度

剪力墙墙肢长度 (即墙肢截面高度 ) 一般不宜大于 8m。结构设计中的剪力墙结构应具有延性, 细高的剪力墙(高宽比大于2) 容易设计成弯曲破坏的延性剪力墙, 从而可避免脆性的剪切破坏。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、较均匀的联肢墙, 洞口连梁宜采用约束弯矩较小的弱连梁 (其跨高比宜大于 6), 使其可近似认为分成了独立墙段。根据高规从经济性及用钢量的角度考虑。

2.2.2 墙肢厚度的选取

高规第 7.2.1条规定了剪力墙的最小厚度, 其主要目的是保证剪力墙出平面的刚度和稳定性能，也是高层建筑剪力墙截面厚度的最低要求。

对于住宅建筑, 填充墙厚一般为 200mm, 相应剪力墙厚也取为 200 mm。住宅层高一 般为 2.8m ~ 3.0m,故墙厚取 200mm, 除底层加强区的一字形短肢 剪力墙外, 均能满足规范要求。对于无地下室的高层住宅, 因其基础埋深一般在 2m 以上, 若按层高的 1 /16确定墙厚, 可能引起墙厚偏厚。为避免出现此种情况, 在布置剪力墙时, 应结合建筑平面, 尽量不用一字形 剪力墙,而采用 L、T、Z、十字形等截而形式, 且使翼缘长度大于其厚度的 3倍, 这样一方面墙体抗震性能更好, 另一方面墙厚也可取为剪力墙无肢长度的 1 /16。由于住宅建筑中剪力墙肢长一般小于 3.0 m, 故厚度采用 200 mm 满足构造要求。

3.连梁设计

3.1连梁的作用

在剪力墙结构中, 连接墙肢与墙肢的梁称为连梁。在水平荷载作用下, 墙肢发生弯曲变形, 使连梁端部产生转角, 从而使连梁产生内力, 同时连梁端部的内力又反过来减小与之相连的墙肢的内力和变形, 对墙肢起到一定的约束作用, 改善墙肢的受力状态。因此, 连梁对于剪力墙结构尤为重要, 在起到连接墙肢作用的同时, 还对所连接的墙肢起到一定的约束作用。

3.2连梁设计的处理方法

在带连梁的剪力墙设计中, 连梁的跨高比和截面尺寸受到许多因素的影响, 设计不当经常出现连梁承载力超限或连梁截面不符合设计要求的情况, 设计时可从以下方面考虑。

3.3对连梁的刚度进行折减

连梁由于跨高比较小, 与之相连的墙肢刚度大等原因,在水平力作用下的内力往往很大, 连梁屈服时表现为梁端出现裂缝, 刚度减小, 内力重分布。因此, 在开始进行结构整体计算时, 就需对连梁刚度进行折减。高层建筑结构构件均采用弹性刚度参与整体分析, 但抗震设计的剪力墙结构中的连梁刚度相对墙体较小, 而承受的弯矩和剪力很大, 配筋设计困难。因此,可考虑在不影响其承受竖向荷载能力的前提下, 允许其适当开裂 (刚度降低 ) 而把内力转移到墙体上。通常, 设防烈度低时可少折减一些 ( 6、7度时可取0.7), 设防烈度高时可多折减一些 ( 8、9度时可取0.5)。但折减系数不宜小于 0.5 , 以保证连梁承受竖向荷载的能力。增加剪力墙洞口的宽度、减小连梁高度增加剪力墙洞口的宽度, 即增大连梁跨度, 减小连梁高度, 其目的是减小连梁刚度, 同时由于减小了结构的整体刚度, 也就减小了地震作用的影响, 使连梁的承载力有可能不超限。

3.4适当增加剪力墙的厚度

增加剪力墙的厚度, 即增加连梁的截面宽度, 其结果一方面由于结构整体刚度加大, 地震作用产生的内力增加,另一方面连梁的抗剪承载力与连梁宽度的增加成正比。由于剪力墙的厚度增加后, 地震作用所产生的内力并不按墙厚增加的比例分配给剪力墙, 而是小于这个比例, 因此有可能使连梁抗剪承载力不超限。

3.5提高混凝上等级

提高剪力墙的混凝土等级, 其弹性模量增加的比例远小于混凝土抗剪承载力提高的比例, 因此也有可能使连梁的抗剪承载力不超限。

4.结束语

在房屋建筑剪力墙结构设计中, 透彻理解剪力墙在整个结构中的受力性能和作用至关重要。应根据房屋建筑的整体布置合理设置剪力墙, 通过多方案比较做好剪力墙设置位置、设置数量和构造措施的优化, 尽量减少结构刚质两心的偏离, 减少结构的扭转, 合理控制变形, 满足相关规范的参数和指标要求。既充分发挥剪力墙体系刚度大、抗水平力强等优点, 又能弱化剪力墙结构存在的缺点, 是做好剪力墙结构设计的关键。