張 峰 何 強(qiáng)

1 高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及分類

1.1 剪力墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

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(yīng)用剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑要高于應(yīng)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(shì)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?yàn)榻ㄖ峁┯行е危岣吡私ㄖ?nèi)部的空間利用率。剪力墻結(jié)構(gòu)施工多在工程現(xiàn)場(chǎng)直接澆筑混凝土，不僅縮短了工期、簡(jiǎn)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(huì)受到較多的條件限制，且結(jié)構(gòu)之間的間隔距離相對(duì)較小，導(dǎo)致建筑空間相對(duì)較小，因此剪力墻多應(yīng)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(shè)計(jì)，整體設(shè)計(jì)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(dòng)，后期住宅裝修改造會(huì)受到一定的限制。盡管短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)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(duì)較小，因此實(shí)際應(yīng)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(huì)導(dǎo)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(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)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(wú)洞口、洞口大小、洞口形狀、洞口相對(duì)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(zhǎng)邊尺寸，或者剪力墻是一個(gè)不存在任何洞口的整體。整體墻力墻開設(shè)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(duì)結(jié)構(gòu)的整體受力性能較小，不超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)不適用結(jié)構(gòu)的平面假定。框支墻是指建筑結(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(shè)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(shè)計(jì)，即根據(jù)工程實(shí)際需要在剪力墻適當(dāng)?shù)奈恢瞄_設(shè)洞口，無(wú)論是洞口的位置、尺寸還是排列方式均無(wú)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(shè)計(jì)原則與方法

2.1 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)遵循以下5 個(gè)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(huì)降低結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性。第2，剪力墻墻肢長(zhǎng)度合適且設(shè)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(zhǎng)度，避免長(zhǎng)度過長(zhǎng)破壞結(jié)構(gòu)，或者長(zhǎng)度過短降低抗側(cè)剛度。第3，合理設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)墻柱構(gòu)件截面尺寸，避免整個(gè)構(gòu)件用鋼量增加，否則不僅會(huì)增加構(gòu)件自重，而且會(huì)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(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)支撐點(diǎn)；并且剪力墻配筋需要根據(jù)相關(guān)規(guī)范以最小配筋率進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此要設(shè)計(jì)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(shè)置盡量保持較小的墻肢寬度差距，并對(duì)齊，避免采用疊合錯(cuò)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(huì)下降發(fā)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。第5，剪力墻形狀應(yīng)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(shè)計(jì)方法

剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常用的方法包括準(zhǔn)則法、線性規(guī)劃法、非線性規(guī)劃法及有限元法。其中，準(zhǔn)則法以力學(xué)理論為基礎(chǔ)，提前設(shè)定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后需要達(dá)到的準(zhǔn)則，若結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以滿足該準(zhǔn)則，則表明該設(shè)計(jì)方案為最優(yōu)方案。準(zhǔn)則法具有效率高、運(yùn)算簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)，通常應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

線性規(guī)劃法是指在約束條件一定的情況下，用數(shù)學(xué)方法求取目標(biāo)函數(shù)的極大值或極小值，常用的數(shù)學(xué)方法包括優(yōu)選法、數(shù)學(xué)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(wú)約束條件。與之對(duì)應(yīng)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(wú)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(shè)計(jì)方法，其按照是否直接處理約束可分為直接法和復(fù)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(xué)原理為基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，融合多種技術(shù)優(yōu)勢(shì)形成的一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，已廣泛應(yīng)用在高層住宅建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)指標(biāo)

3.1 剪力墻軸壓比

軸壓比直接關(guān)系著剪力墻在地震作用下的塑性變形能力，同等標(biāo)準(zhǔn)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(dá)式為：

式中：μN(yùn)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(shè)計(jì)值；Aw為截面面積；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。具體設(shè)計(jì)時(shí)可以通過設(shè)置約束邊緣構(gòu)件來(lái)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(dāng)結(jié)構(gòu)處于長(zhǎng)周期段時(shí)，地震影響系數(shù)會(huì)出現(xiàn)大幅下降，結(jié)構(gòu)受到地震作用時(shí)產(chǎn)生的效應(yīng)也相對(duì)較少，但實(shí)際地震的影響十分復(fù)雜，無(wú)法通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)避免地震的破壞效應(yīng)，因此相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)構(gòu)的剪重比做出了強(qiáng)制規(guī)定。所謂剪重比即地震作用產(chǎn)生的剪力墻標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，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(dá)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(duì)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(biāo)，因此要做好剪力墻結(jié)構(gòu)的剛重比計(jì)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(huì)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(yīng)會(huì)進(jìn)一步加劇，最終結(jié)構(gòu)就會(huì)由于位移過大而發(fā)生變形，結(jié)構(gòu)的安全性也會(huì)隨之下降。這個(gè)過程就是重力荷載導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)二階效應(yīng)。針對(duì)這種情況，剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要準(zhǔn)確控制剛重比。

位移比是指樓層最大水平位移與對(duì)應(yīng)樓層水平位移平均值的比值，結(jié)構(gòu)平面的規(guī)則度會(huì)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(duì)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(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度要求要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(biāo)處于合理范圍，以滿足高層建筑對(duì)剪力墻的剛度要求。根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，A 級(jí)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(dòng)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(shí)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(shí)，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(wú)法滿足，因此必須確保周期比與位移比同時(shí)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(guān)技術(shù)規(guī)范要求A 級(jí)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(shè)計(jì)實(shí)例

為更好地闡述高層住宅建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，本文以某高層住宅樓為例進(jìn)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(shè)防為丙類，設(shè)施烈度為8 度，設(shè)計(jì)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(shè)置端柱等條件會(huì)對(duì)高層住宅建筑的剪力墻厚度設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jìn)行塑形調(diào)幅，塑形調(diào)幅可在計(jì)算內(nèi)力信息時(shí)折減連梁剛度，也可以在完成內(nèi)力計(jì)算后將連梁彎矩和剪力組合值乘以折減系數(shù)。無(wú)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(shè)計(jì)值后其余部分彎矩設(shè)計(jì)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(duì)連梁的影響降至最低。

3）增加混凝土強(qiáng)度?；炷恋膹?qiáng)度等級(jí)越高，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(shí)，連梁的受剪承載車才不會(huì)超過限制，才能進(jìn)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(shí)際情況做好連梁截面的寬度設(shè)計(jì)，不僅能夠增加整體結(jié)構(gòu)的剛度，還可以提升連梁的強(qiáng)度，進(jìn)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(shè)計(jì)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(huì)出現(xiàn)明顯縫隙，連梁支撐要保證端點(diǎn)部位采用鉸接的方式連接支撐。

4.3 墻肢設(shè)計(jì)

墻肢設(shè)計(jì)也是整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，作為重要的支撐構(gòu)件，墻肢設(shè)計(jì)需要合理控制其厚度，如果高層住宅建筑無(wú)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(dāng)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(gè)方向的自振周期接近。此外，結(jié)構(gòu)采用長(zhǎng)墻肢時(shí)需要考慮長(zhǎng)墻肢的延展性，特別是細(xì)高形狀的剪力墻需要測(cè)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(wú)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(yǔ)

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(fēng)荷載作用。

本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)之上，基于實(shí)際的工程案例進(jìn)行剪力墻的設(shè)計(jì)，以此保證在不影響建筑項(xiàng)目質(zhì)量的前提下降低工程成本，提高業(yè)主的經(jīng)濟(jì)效益。