1、剪力墙结构设计分析摘要：剪力墙结构作为高层建筑中的主要结构形式，被广泛应用于现代高层建筑领域。本文根据多方的学习及结构设计经验，对剪力墙结构设计进行探讨。 关键词：剪力墙; 结构设计 中图分类号： TU318 文献标识码： A 文章编号： 一、墙肢的分类和结构布置 （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 58 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 bw 之比小于 5 时均称为小
2、墙肢。其中, 当不大于 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）结构布置 多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,或采用“主次结构”加大墙体的间距, 减少墙
3、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。 二、墙肢长度和厚度的选取 （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 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
4、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。 （2）墙肢厚度的选取 高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3 - 2002) 第 7.2.2 条第 1 款3款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。现将第 1 款3 款的要求列表如下, 见表 1。 剪力墙截面最小厚度 注: H层高或剪力墙无肢长度的较小值 对短肢剪力墙结构, 高规 (JGJ3 - 2002) 规定其抗震等级应比高规中表
5、4.8.2 规定的抗震等级提高一级采用。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 2.8 m3.0 m,故墙厚取 200 mm, 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 2.5 m 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
6、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。 三、边缘构件的设置 试验表明, 有约束边缘构件的矩形截面剪力墙与无约束边缘构件的矩形截面剪力墙相比, 极限承载力约提高 40% , 极限层间位移角约增加一倍, 对地震能量的消耗能力增大 20%左右, 且有利于墙板的稳定。 剪力墙设置的边缘构件分为约束边缘构件和构造边缘构件。一级和二级剪力墙结构的墙底部加强部位及相邻的上一层, 高层建筑及在重力荷载代表值作用下墙体平均轴压比不小于表 2 的规定值的多层房屋, 应设置约束边缘构件。一、二级剪力墙底部加强部位以上的一般部位和三、四级和非抗震设计的高层建筑及底部加强部
7、位及相邻上一层轴压比小于表 2 的多层房屋剪力墙, 均应设置构造边缘构件。部分框支剪力墙结构, 落地剪力墙的底部加强部位 ,两端应有翼墙和端柱 , 应设置约束边缘构件。不落地的剪力墙及落地剪力墙其他部位设置构造边缘构件。 表 2 剪力墙结构设置构造边缘构件的最大平均轴压比 四、连梁设计 （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
8、作用的同时 , 还对所连接的墙肢起到一定的约束作用。 （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。 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。高规 ( JGJ3 -2002) 中解释说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,
9、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, 设防裂度低时可少折减一些(6、7 度时可取 0.7) , 设防裂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。 适当增加剪力墙的厚度,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。 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。 五、结束语 在房屋建筑剪力墙结构设计中,只有透彻理解剪力墙在整个结构中的受力性能和作用，才能合理、经济地设计出优秀的作品。
