基于剪力墙结构设计中的问题探索与研究

摘要：本文首先分析了剪力墙设计中的基本概念，然后论述了剪力墙的边缘构造、剪力墙结构的厚度和配筋问题，最后探讨了高层建筑剪力墙连梁设计问题，可供同行参考借鉴。

关键词：剪力墙； 连梁； 结构； 设计；

中图分类号：S611文献标识码： A 文章编号：

前言

高层建筑剪力墙结构的设计受很多因素的制约。结构的内力和剪力墙的多少、每片剪力墙的水平力大小、墙肢刚度、连梁的刚度都有关。因此在设计时,问题是比较复杂的 ,设计时要把互相制约的因素统一协调 , 以取得比较理想的结果。

一、剪力墙设计中的基本概念分析

1、剪力墙高和截面高度尺寸较大但截面厚度较小，几何特征像板，受力形态接近于柱，而与柱的区别主要是其截面高度与厚度的比值，当比值小于或等于 3 时宜按框架柱进行截面设计，当墙肢截面高度与厚度之比在 2~4 时可视为异形柱，按双向受压构件设计，当墙肢截面高度与厚度之比在 5~8 时为短肢剪力墙，当墙肢截面高度与厚度之比大于 8 时为一般剪力墙。

2、剪力墙结构中，墙是一平面构件，它除承受沿其平面作用的水平剪力和弯矩外，还承担竖向压力；在轴力，弯矩，剪力的复合状态下工作，其受水平力作用下似一底部嵌固于基础上的悬臂深梁。在地震作用或风载下剪力墙除需满足刚度强度要求外，还必须满足非弹性变形反复循环下的延性、能量耗散和控制结构裂而不倒的要求：墙肢必须能防止墙体发生脆性剪切破坏，因此注意尽量将剪力墙设计成延性弯曲型。

3、实际工程中剪力墙分为整体墙和联肢墙：整体墙如一般房屋端的山墙、鱼骨式结构片墙及小开洞墙。整体墙受力如同竖向悬臂，当剪力墙墙肢较长时，在力作用下法向应力呈线性分布，破坏形态似偏心受压柱，配筋应尽量将竖向钢筋布置在墙肢两端；为防止剪切破坏，提高延性应将底部截面的组合设计内力适当提高或加大配筋率；为避免斜压破坏墙肢不能过小也不宜过长，以防止截面应力相差过大。联肢墙是由连梁连接起来的剪力墙，但因一般连梁的刚度比墙肢刚度小得多，墙肢单独作用显著，连梁中部出现反弯点要注意墙肢轴压比限值。 壁式框架：当剪力墙开洞过大时形成宽梁、宽柱组成的短墙肢，构件形成两端带有刚域的变截面杆件，在内力作用下许多墙肢将出现反弯点，墙已类似框架的受力特点，因此计算和构造应按近似框架结构考虑。

4、墙的设计计算是考虑水平和竖向作用下进行结构整体分析，求得内力后按偏压或偏拉进行正截面承载力和斜截面受剪承载力验算。当受较大集中荷载作用时再增加对局部受压承载力验算。

5、为了保证墙体的稳定性及便于施工，使墙有较好的承载力和地震作用下耗散能力，规范要求一、二级抗震墙时墙的厚度应≥160mm，底部加强区宜≥200mm，三、四级抗震等级时应≥160mm，竖向钢筋应尽量配置于约束边缘。

二、剪力墙的边缘构造问题分析

1、结构试验表明矩形截面剪力墙的延性。比工字形或槽形截面剪力墙差；计算分析表明增加墙肢截面两端的翼缘能显著提高墙的延性；因此在矩形墙两端设约束边缘构件不但能较显著地提高墙体的延性，还能防止剪力墙发生水平剪切滑动提高抗剪能力。从 89 规范开始在剪力墙中提出了暗柱、端柱、翼墙（柱）、转角墙（柱），也就是目前规范中的约束边缘构件或构造边缘构件的抗震措施。

2、从 2002 年开始实施的建筑结构规范，根据结构类型及受力状况，对剪力墙两端及洞口两侧的加强边缘，按墙肢在重力荷载代表值作用下墙肢轴压比的界线及加强部位要求分为约束边缘构件和构造边缘构件两类 。“ 抗规 ”GB50011-2001 规定抗震墙结构，一、二级抗震墙底部加强部位及相邻的上一层应设置约束边缘构件，但墙肢底截面在重力荷载代表值作用下的轴压比小于 0.1（一级 9 度）、0.2（一级 8 度）、0.3（二级）时可设置构造边缘构件。部分框支抗震墙结构，一、二级落地抗震墙底部加强部位及相邻的上一层的两端应设置符合约束边缘构件要求的翼墙或端柱，洞口两侧应设置约束边缘构件；不落地抗震墙应在底部加强部位及相邻的上一层的墙肢两端设置约束边缘构件。一、二级抗震墙的其他部位和三、四级抗震墙，均应设置构造边缘构件。

三、高层建筑剪力墙连梁设计问题分析

1、连梁的工作和破坏机理。在风荷载和地震荷载作用下,墙肢产生弯曲变形,使连梁产生转角,从而使连梁产生内力。同时连梁端部的弯矩、剪力和轴力又反过来减少了墙肢的内力和变形,对墙肢起到了一定的约束作用,改善了墙肢的受力状态。高层建筑剪力墙中的连梁在水平荷载作用下的破坏可分两种,即脆性破坏 (剪切破坏 )和延性破坏 (弯曲破坏 )。连梁在发生脆性破坏时就丧失了承载力,在沿墙全高所有连梁均发生剪切破坏时,各墙肢丧失了连梁对它的约束作用,将成为单片的独立梁。这会使结构的侧向刚度大大降低,变形加大,墙肢弯矩加大,并且进一步增加 Ｐ-Δ 效应 (竖向荷载由于水平位移而产生的附加弯矩 ), 并最终可能导致结构的倒塌。连梁在发生延性破坏时,梁端会出现垂直裂缝,受拉区会出现微裂缝,在地震作用下会出现交叉裂缝, 并形成塑性绞, 结构刚度降低,变形加大,从而吸收大量的地震能量,同时通过塑性铰仍能继续传递弯矩和剪力,对墙肢起到一定的约束作用,使剪力墙保持足够的刚度和强度。在这一过程中,连梁起到了一种耗能的作用,对减少墙肢内力, 延缓墙肢屈服有着重要的作用。但在地震反复作用下,连梁的裂缝会不断发展、加宽,直到混凝土受压破坏。

2、设计的建议。在实际工程中要使连梁设计满足强剪弱弯的原则就必须考虑以下几个方面:一是关于连梁刚度的折减。连梁由于跨高比小,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,刚度减弱,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。根据《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》第 4 1 7 条规定 “:在内力与位移计算中,所有构件均可采用弹性刚度,在框架 - 剪力墙结构中,连梁的刚度可予以折减,折减系数不应小于 0.55。”一般在实际设计中我们在 0.55-1之间取值,以符合截面设计的要求。二是加连梁跨度减少高度。在连梁设计中,刚度折减后,仍可能发生连梁正截面受弯承载力或斜截面受剪承载力不够的情况,这时可以增加洞口的宽度,以减少连梁刚度。减少了结构的整体刚度,也就减少了地震作用的影响,使连梁的承载力有可能不超限。如果只是部分连梁超筋或超限,则可采取调整连梁内力来解决。调整的幅度不宜大于 20%,且连梁必须满足“强剪弱弯”的要求。三是增加剪力墙厚度。亦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,另一方面连梁的受剪承载力与宽度的增加成正比。由于该片墙厚增加以后,地震所产生的内力并不按墙厚增加的比例分配给该片剪力墙,而是小于这个比例,因此有可能使连梁的受剪承载力不超限。四是提高混凝土等级。混凝土等级提高后,结构的地震作用影响增加的比例远小于混凝土受剪承载力提高的比例,有可能使连梁的受剪承载力不超限。五是地震区高层建筑的剪力墙连梁,在进行了上述调整后,仍有部分不符合承载力要求时,可取连梁截面的最大剪压比限值确定剪力。然后按“强剪弱弯”的要求,配置相应的纵向钢筋。此时,如果不能保证连梁在大震时的延性要求,应重新计算整个结构 ,必要时调整结构布置 ,使连梁的承载力符合要求。

四、结语

剪力墙是一种能较好的抵抗水平荷载的墙，由于其结构简洁、宽敞，使用功能好，为住户的自行改造增大了灵活性，加大了使用面积，因而广泛受到建筑师和业主的欢迎。