張 峰 何 強

1 高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)特點及分類

1.1 剪力墻結(jié)構(gòu)特點

剪力墻也被稱為抗震墻，該結(jié)構(gòu)形式由于承受外力作用所以受側(cè)向變形較小，體現(xiàn)出良好的延展性及較高的承載性，因此相比其他結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能更好。建筑完成后剪力墻結(jié)構(gòu)需要承受較大的水平作用力及豎向作用力，具有更高的橫向剛度，因此應用剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑要高于應用框架結(jié)構(gòu)的建筑，且層數(shù)多。剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢十分明顯，其采用鋼筋混凝土墻板替代建筑的框架梁、柱、墻板等結(jié)構(gòu)承載建筑的豎向荷載及水平荷載，相比其他結(jié)構(gòu)剪力墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性更好，能夠為建筑提供有效支撐，提高了建筑內(nèi)部的空間利用率。剪力墻結(jié)構(gòu)施工多在工程現(xiàn)場直接澆筑混凝土，不僅縮短了工期、簡化了施工流程，而且降低了施工成本，提高了建筑質(zhì)量。然而剪力墻結(jié)構(gòu)也有一定的局限性，其平面布置會受到較多的條件限制，且結(jié)構(gòu)之間的間隔距離相對較小，導致建筑空間相對較小，因此剪力墻多應用于住宅、公寓、酒店等，通常公共建筑中較少用到。此外，剪力墻受間距的限制不適用于較大空間的建筑設計，整體設計不夠靈活。剪力墻結(jié)構(gòu)屬于建筑的主要受力支撐，后期不得私自拆除或改動，后期住宅裝修改造會受到一定的限制。盡管短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的應用提高了建筑室內(nèi)布局的靈活性，但是其整體承載性能相對較小，因此實際應用中也受到諸多條件的限制。此外，剪力墻結(jié)構(gòu)采用大量鋼筋混凝土材料，在某種程度上會導致建筑結(jié)構(gòu)自重增加。

1.2 剪力墻結(jié)構(gòu)分類

分類方法不同，剪力墻的結(jié)構(gòu)分類也存在差異。按截面形狀可以將剪力墻分為規(guī)則形狀與特殊形狀的剪力墻，特殊形狀需要根據(jù)工程實際確定，規(guī)則形狀則包括“T”形、“一”字形、“L”形、“工”字形、“Z”字形等。按墻肢截面長寬比分類可分為普通剪力墻、短肢剪力墻、異形柱等，其中墻肢長度（hw）與墻肢寬度（bw）之比大于8為普通剪力墻，hw與bw之比4 ～8 為短肢剪力墻，hw與bw之比小于4 為異形柱[1]。

按照有無洞口、洞口大小、洞口形狀、洞口相對位置不同，剪力墻可以分為整體墻、小開口整體墻、連肢墻、框支墻、壁式框架及不規(guī)則洞口剪力墻等類型。其中，整體墻是指剪力墻開洞率低于16%，且洞口之間的距離、洞口至墻邊的距離均不小于洞口長邊尺寸，或者剪力墻是一個不存在任何洞口的整體。整體墻力墻開設門窗洞口少且小，也可稱為整體墻。

小開口整體墻是指剪力墻上門窗洞口開洞率在16%以上，門窗洞口尺寸大于整體墻尺寸，墻肢內(nèi)部已出現(xiàn)局部彎矩，洞口豎向位置布置規(guī)律，小開口整體墻的洞口率雖然大于16%，但洞口對結(jié)構(gòu)的整體受力性能較小，不超過相關標準規(guī)定的范圍。連肢墻是指剪力墻上存在有規(guī)律、成列排列的較大洞口，洞口之間的連梁能夠保證剪力墻的整體性。由于連肢墻洞口率過高削弱了剪力墻的整體性能，因此連肢墻結(jié)構(gòu)設計不適用結(jié)構(gòu)的平面假定?？蛑κ侵附ㄖY(jié)構(gòu)底部采用框架結(jié)構(gòu)的較大空間，框架結(jié)構(gòu)上部采用剪力墻結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)組合在一起即為框支剪力墻。壁式框架的傳力受力模式接近框架結(jié)構(gòu)，即加大連肢墻的洞口開設尺寸，洞口排列同樣規(guī)律。不規(guī)則洞口剪力墻主要為了滿足某些特殊要求而設計，即根據(jù)工程實際需要在剪力墻適當?shù)奈恢瞄_設洞口，無論是洞口的位置、尺寸還是排列方式均無規(guī)律，因此稱其為不規(guī)則洞口剪力墻。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)設計原則與方法

2.1 剪力墻結(jié)構(gòu)設計原則

剪力墻的結(jié)構(gòu)設計應當遵循以下5 個原則：第1，采用整體性系數(shù)接近的聯(lián)肢剪力墻，高層住宅建筑盡量避免采用短肢剪力墻體系，否則會降低結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性。第2，剪力墻墻肢長度合適且設置均勻。剪力墻結(jié)構(gòu)宜沿主梁方向或其他方向雙向布置，合理控制墻肢長度，避免長度過長破壞結(jié)構(gòu)，或者長度過短降低抗側(cè)剛度。第3，合理設計剪力墻結(jié)構(gòu)截面尺寸。剪力墻結(jié)構(gòu)中的墻柱通常為壓彎構(gòu)件，為保證構(gòu)件的穩(wěn)定性與承載力，構(gòu)件的多數(shù)部位都需要增加配筋。這種情況下就需要合理設計墻柱構(gòu)件截面尺寸，避免整個構(gòu)件用鋼量增加，否則不僅會增加構(gòu)件自重，而且會增加成本。按照結(jié)構(gòu)層高最小值選擇剪力墻的厚度參數(shù)，明確設計剪力墻結(jié)構(gòu)支撐點；并且剪力墻配筋需要根據(jù)相關規(guī)范以最小配筋率進行設計，因此要設計合理的墻體厚度，以優(yōu)化剪力墻的鋼筋用量，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。第4，剪力墻上的門窗洞口設置盡量保持較小的墻肢寬度差距，并對齊，避免采用疊合錯洞墻，盡量避免出現(xiàn)豎列方向洞口不在一條直線的問題。外墻開洞較多，要避免削減，否則剪力墻剛度會下降發(fā)生扭轉(zhuǎn)效應。第5，剪力墻形狀應選擇穩(wěn)定性好的矩形、T 形、L 形等，盡量避免選擇一字墻、短肢剪力墻等。剪力墻要盡量分布在結(jié)構(gòu)的翼緣位置，避免出現(xiàn)偏心部位。

2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)設計方法

剪力墻結(jié)構(gòu)設計常用的方法包括準則法、線性規(guī)劃法、非線性規(guī)劃法及有限元法。其中，準則法以力學理論為基礎，提前設定結(jié)構(gòu)設計后需要達到的準則，若結(jié)構(gòu)設計可以滿足該準則，則表明該設計方案為最優(yōu)方案。準則法具有效率高、運算簡便的優(yōu)勢，通常應用于大型結(jié)構(gòu)的設計。

線性規(guī)劃法是指在約束條件一定的情況下，用數(shù)學方法求取目標函數(shù)的極大值或極小值，常用的數(shù)學方法包括優(yōu)選法、數(shù)學規(guī)劃法等。非線性規(guī)劃的約束條件包括2 種—有約束條件和無約束條件。與之對應的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題也包括2 種，即有約束的優(yōu)化問題和無約束的優(yōu)化問題。

非線性規(guī)劃也是一種常見的結(jié)構(gòu)設計方法，其按照是否直接處理約束可分為直接法和復形法。此外，非線性規(guī)劃法還包括格朗日乘數(shù)法、罰函數(shù)法等。有限元方法是指以力學原理為基礎，采用計算機程序進行設計，融合多種技術(shù)優(yōu)勢形成的一種結(jié)構(gòu)設計方法，已廣泛應用在高層住宅建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設計中。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)的設計指標

3.1 剪力墻軸壓比

軸壓比直接關系著剪力墻在地震作用下的塑性變形能力，同等標準下軸壓比與剪力墻的延性成反比，即軸壓比越高，剪力墻延性越小[2]。軸壓比的表達式為：

式中：μN為軸壓比；Nw為重力荷載代表值作用下剪力墻墻肢軸向壓力設計值；Aw為截面面積；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值。具體設計時可以通過設置約束邊緣構(gòu)件來改善軸壓比，提高剪力墻的塑性變形能力。

3.2 剪力墻剪重比

當結(jié)構(gòu)處于長周期段時，地震影響系數(shù)會出現(xiàn)大幅下降，結(jié)構(gòu)受到地震作用時產(chǎn)生的效應也相對較少，但實際地震的影響十分復雜，無法通過結(jié)構(gòu)設計來避免地震的破壞效應，因此相關標準對結(jié)構(gòu)的剪重比做出了強制規(guī)定。所謂剪重比即地震作用產(chǎn)生的剪力墻標準與重力荷載代表值的比值，高層建筑樓層最小地震剪力系數(shù)如表1 所示[3]。

表1 高層建筑樓層最小地震剪力系數(shù)

實際結(jié)構(gòu)計算時，如果結(jié)構(gòu)剪重比不滿足規(guī)范要求，可調(diào)整結(jié)構(gòu)水平地震總剪力和各樓層水平地震剪力，或者調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度，直到達到規(guī)范要求限值為止。

3.3 剛重比、位移比及周期比

剪力墻剛重比是指結(jié)構(gòu)剛度與重力荷載的比值，高層建筑對于結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性要求更高，而結(jié)構(gòu)的剛度比是決定結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要指標，因此要做好剪力墻結(jié)構(gòu)的剛重比計算。高層剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，受到水平荷載作用后剪力墻通常會產(chǎn)生水平位移，發(fā)生彎剪型破壞，再受到重力荷載作用后，水平作用產(chǎn)生的位移效應會進一步加劇，最終結(jié)構(gòu)就會由于位移過大而發(fā)生變形，結(jié)構(gòu)的安全性也會隨之下降。這個過程就是重力荷載導致的結(jié)構(gòu)二階效應。針對這種情況，剪力墻結(jié)構(gòu)的設計要準確控制剛重比。

位移比是指樓層最大水平位移與對應樓層水平位移平均值的比值，結(jié)構(gòu)平面的規(guī)則度會直接影響結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)程度，限制結(jié)構(gòu)的位移比可以對結(jié)構(gòu)平面扭轉(zhuǎn)起到一定的控制作用，避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大偏心，從而保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。高層住宅建筑層數(shù)多、高度大，建筑對于剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度要求要遠遠高于普通建筑，因此需要控制結(jié)構(gòu)的最大位移、層間位移，保證結(jié)構(gòu)的位移比、層間位移比等指標處于合理范圍，以滿足高層建筑對剪力墻的剛度要求。根據(jù)相關技術(shù)規(guī)范要求，A 級高度高層建筑的位移比要控制在該樓層平均值的1.2 倍以內(nèi)。

周期比是指結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一周期與平動為主的第一自振周期的比值，高層剪力墻建筑中，在限制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形時不僅要控制結(jié)構(gòu)的位移比，還要限制其周期比。一般情況下，結(jié)構(gòu)的偏心率較小時，扭轉(zhuǎn)位移比往往能夠滿足規(guī)范限值要求，但周期比可能無法滿足，因此必須確保周期比與位移比同時滿足規(guī)范要求，才能保證結(jié)構(gòu)抗扭剛度。如果結(jié)構(gòu)偏心率較大，扭轉(zhuǎn)位移比能夠滿足規(guī)范限值，則周期比也能夠滿足。相關技術(shù)規(guī)范要求A 級高度高層建筑周期比要控制在0.9以內(nèi)[4]。

4 高層住宅建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設計實例

為更好地闡述高層住宅建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的設計要點，本文以某高層住宅樓為例進行分析，該樓的建筑總面積為19830 m2，地上24 層，地下3 層，抗震設防為丙類，設施烈度為8 度，設計的地震加速度取0.2 g。

4.1 剪力墻墻體厚度

建筑體量、抗震烈度、是否設置端柱等條件會對高層住宅建筑的剪力墻厚度設計產(chǎn)生影響，一般情況下要求剪力墻墻體的最小厚度滿足表2 的要求，以保證墻體的整體剛度，避免其發(fā)生失穩(wěn)而出現(xiàn)破壞現(xiàn)象[5]。

表2 墻體厚度

4.2 連梁設計

剪力墻結(jié)構(gòu)設計要注意合理控制連梁的跨高比，連梁跨高比通常不超過2.5 ～5.0，以避免出現(xiàn)連梁超限的問題。連梁的具體設計如下：

1）通過剛度折減系數(shù)綜合調(diào)整連梁的彎矩、剪力，并進行塑形調(diào)幅，塑形調(diào)幅可在計算內(nèi)力信息時折減連梁剛度，也可以在完成內(nèi)力計算后將連梁彎矩和剪力組合值乘以折減系數(shù)。無論選擇哪種方法均可以減小連梁內(nèi)力及配筋值，降低連梁彎矩設計值后其余部分彎矩設計值隨之增加[6]。

2）增加洞口寬度，降低連梁高度，以減小連梁剛度，將地震作用對連梁的影響降至最低。

3）增加混凝土強度?；炷恋膹姸鹊燃壴礁?，結(jié)構(gòu)的彈性模量越大，只有彈性模量的比例大于混凝土承受的剪力承載力提升比例時，連梁的受剪承載車才不會超過限制，才能進一步保證連梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及安全性。

4）增加結(jié)構(gòu)剛度。根據(jù)實際情況做好連梁截面的寬度設計，不僅能夠增加整體結(jié)構(gòu)的剛度，還可以提升連梁的強度，進一步提高結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性。連梁的受剪承載力與梁寬值成正比，連梁的結(jié)構(gòu)剛度及承載力也更符合設計要求。連梁上不得直接支撐樓面主梁，否則連梁結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)明顯縫隙，連梁支撐要保證端點部位采用鉸接的方式連接支撐。

4.3 墻肢設計

墻肢設計也是整個結(jié)構(gòu)設計的重點內(nèi)容，作為重要的支撐構(gòu)件，墻肢設計需要合理控制其厚度，如果高層住宅建筑無特殊要求，墻肢的厚度通?？刂圃?0 cm 以內(nèi)[7]；如果有特殊要求則需要根據(jù)具體要求適當調(diào)整墻肢厚度。高層建筑的高度增加，也要隨之調(diào)整墻肢厚度，并采用雙向布置的剪力墻結(jié)構(gòu)，保證兩個方向的自振周期接近。此外，結(jié)構(gòu)采用長墻肢時需要考慮長墻肢的延展性，特別是細高形狀的剪力墻需要測試墻體的彎曲性能，制定合理的處理方案，避免工程后期出現(xiàn)剪力墻損壞的問題。若剪力墻墻體截面積較小無法保證結(jié)構(gòu)的承載力，則需要采用箍筋加固技術(shù)提高結(jié)構(gòu)承載力。

5 結(jié)語

在高層剪力墻建筑中，剪力墻作為主要的抗側(cè)、抗扭構(gòu)件，發(fā)揮著不可替代的作用，既要承受結(jié)構(gòu)自重荷載，又要抵抗水平地震和風荷載作用。

本文在現(xiàn)有研究的基礎之上，基于實際的工程案例進行剪力墻的設計，以此保證在不影響建筑項目質(zhì)量的前提下降低工程成本，提高業(yè)主的經(jīng)濟效益。