高層建筑懸臂剪力墻的承載力和延性設(shè)計(jì)分析

張昆鵬，郭浩勛

（1.海南京創(chuàng)國(guó)際建筑設(shè)計(jì)研究有限公司，海南 海口 570125；2.煤炭工業(yè)鄭州設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450007）

0 引言

近年來(lái)，高強(qiáng)、高性能混凝土的發(fā)展促進(jìn)了高層鋼筋混凝土建筑的發(fā)展。 鋼筋混凝土高層建筑中，剪力墻是常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式。 剪力墻具有較大的剛度，是一種很好的抗側(cè)力構(gòu)件，在地震作用下的變形小、破壞程度低。 經(jīng)過(guò)延性設(shè)計(jì)的剪力墻和框架—剪力墻等結(jié)構(gòu)，能抵抗強(qiáng)烈地震，在地震中具有裂而不倒的良好性能[1]。 高層結(jié)構(gòu)中的鋼筋混凝土剪力墻，抗震性能較鋼結(jié)構(gòu)差，必須經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)和施工，才能保證其承載力，并取得較好的延性性能。

根據(jù)受力特點(diǎn)，剪力墻可分為懸臂墻、整體小開(kāi)口墻、聯(lián)肢墻、壁式框架等幾種形式。 其中懸臂剪力墻是其基本形式。 筆者試對(duì)懸臂剪力墻的承載力和延性設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

1 懸臂剪力墻的特點(diǎn)

1.1 受力特點(diǎn)

懸臂剪力墻的每個(gè)墻肢相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立懸臂構(gòu)件。 墻肢自身截面上的正應(yīng)力呈直線(xiàn)型分布，沿墻肢的高度方向上不發(fā)生突變， 也不出現(xiàn)反彎點(diǎn)。具體受力特點(diǎn)如圖1 所示。

1.2 設(shè)計(jì)要求

懸臂剪力墻可能出現(xiàn)彎曲、剪切、錨固或施工縫滑移等多種破壞形態(tài)。 剪力墻的設(shè)計(jì)，要求防止出現(xiàn)剪切、錨固、滑移等破壞，充分發(fā)揮彎曲作用下的鋼筋抗拉作用，使剪力墻具有良好的延性。

2 懸臂剪力墻的承載力計(jì)算

圖1 懸臂剪力墻的受力圖Fig.1 Force of cantilever shear wall

懸臂剪力墻承受豎向重力荷載（某些情況尚需考慮豎向地震作用），并同時(shí)受到水平作用（地震或風(fēng)）。 而高層建筑剪力墻主要受到的水平作用力。

2.1 正截面偏心受壓承載力

依據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，驗(yàn)算剪力墻正截面偏心受壓承載力時(shí)， 假定截面保持平面，不考慮混凝土受拉、受壓的本構(gòu)關(guān)系，混凝土受壓區(qū)按等效矩形應(yīng)力圖簡(jiǎn)化。我國(guó)現(xiàn)行《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》假定，在剪力墻腹板中1.5 倍的受壓區(qū)范圍之外，拉區(qū)分布筋全部屈服，中和軸附近拉壓應(yīng)力都很小，壓區(qū)分布筋應(yīng)力很小。 因此，計(jì)算時(shí)忽略1.5 倍壓區(qū)范圍之內(nèi)分布筋的作用， 采取了如下的計(jì)算方法[2]。

式中：N 為軸向壓力設(shè)計(jì)值；AS、A's為受 拉區(qū)、受壓區(qū)縱向非預(yù)應(yīng)力鋼筋的截面面積；F'y為剪力墻受壓鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；e0為偏心距；a's為剪力墻受壓區(qū)端部鋼筋合力點(diǎn)到受壓區(qū)邊緣的距離。

2.2 斜截面抗剪承載力

剪力墻斜截面設(shè)計(jì)旨在通過(guò)計(jì)算確定墻中水平鋼筋，防止發(fā)生剪切破壞。 偏壓構(gòu)件中，軸力有利于抗剪，但當(dāng)壓力增大到一定程度后，這種有利作用就會(huì)減小，因此對(duì)有利軸力的取值有所限制。 偏拉構(gòu)件中，軸力不利于抗剪，需考慮軸拉力的不利影響。驗(yàn)算方法[2]為

式中：V 為剪力墻截面剪力設(shè)計(jì)值；hw0為剪力墻截面有效高度；λ 為計(jì)算截面處的剪跨比；A 為剪力墻截面面積； Aw為T(mén) 形、I 形截面剪力墻腹板的面積， 矩形截面時(shí)應(yīng)取A； S 為剪力墻水平分布鋼筋間距。

公式（2）為偏壓構(gòu)件的驗(yàn)算方法，若是遇到偏拉構(gòu)件，括號(hào)內(nèi)加號(hào)改為減號(hào)。

2.3 施工縫的抗滑移承載力

按一級(jí)抗震設(shè)計(jì)的剪力墻，要防止水平施工縫處的滑移破壞。 考慮了摩擦力的有利因素后，要驗(yàn)算通過(guò)施工縫的豎向鋼筋是否足以抵抗水平剪力。當(dāng)配置的豎向鋼筋不足以抵抗時(shí)，須設(shè)置附加插筋。驗(yàn)算方法[2]如下。

式中： Vwj為水平施工縫處考慮地震作用組合的剪力設(shè)計(jì)值； As 為水平施工縫處剪力墻腹板內(nèi)豎向分布鋼筋、豎向插筋的邊緣構(gòu)件（不包括兩側(cè)翼墻） 縱向鋼筋的總截面面積； fy為豎向鋼筋拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；N 為水平施工縫處考慮地震作用組合的不利軸向力設(shè)計(jì)值，壓力取正值，拉力取負(fù)值。

3 懸臂剪力墻的延性設(shè)計(jì)

對(duì)剪力墻進(jìn)行延性設(shè)計(jì)是為了保證剪力墻的塑性變形能力，進(jìn)而耗散相當(dāng)多的地震力，以期實(shí)現(xiàn)大震不倒的抗震設(shè)防目標(biāo)。 要使懸臂剪力墻具有良好的延性，就要充分發(fā)揮剪力墻中延性鋼筋的抗拉作用，使剪力墻的塑性鉸有足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)能力。 可從以下幾個(gè)方面全面考慮。

3.1 減小截面受壓高度或增加混凝土極限壓應(yīng)變

在彎曲破壞條件下，影響剪力墻延性的因素是相對(duì)受壓區(qū)高度，減小截面受壓區(qū)高度或增大混凝土極限壓應(yīng)變，均能增加截面的極限曲率，從而提高剪力墻的延性。 其具體方法為：

（1）在墻肢兩端設(shè)置暗柱或端柱。暗柱或端柱內(nèi)箍筋可以約束混凝土， 提高混凝土極限壓應(yīng)變?chǔ)與u。端柱形成的邊框還能阻止剪切裂縫迅速貫通全墻，對(duì)抗震性能很有利。在腹板混凝土酥裂后，端柱仍可抗彎剪，剪力墻不致倒塌。 試驗(yàn)表明，在周期反復(fù)荷載作用下， 設(shè)有暗柱的剪力墻比不設(shè)暗柱的剪力墻多消耗地震能量23%左右。

當(dāng)墻肢截面的曲率延性系數(shù)不能滿(mǎn)足抗震要求時(shí)，還應(yīng)設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，增大墻肢邊緣混凝土的極限壓應(yīng)變。

（2）墻肢端部設(shè)置鋼骨。 試驗(yàn)表明，壓彎破壞的無(wú)邊框鋼骨混凝土剪力墻在達(dá)到最大荷載時(shí)， 端部鋼骨均屈服。 鋼骨屈服后，周?chē)炷羷兟?，產(chǎn)生剪切滑移破壞或腹板剪壓破壞。設(shè)置鋼骨暗柱，且鋼骨強(qiáng)軸與墻肢長(zhǎng)方向平行，可以提高剪力墻平面外剛度，防止平面外錯(cuò)斷破壞，提高剪力墻的延性。

3.2 提高塑性鉸區(qū)的變形能力

塑性鉸的位置可以通過(guò)配筋設(shè)計(jì)加以控制，但由于剪力墻底截面彎矩和剪力均最大， 塑性鉸通常在底部截面出現(xiàn)。 故應(yīng)使剪力墻的塑性鉸限制在底部加強(qiáng)區(qū)，通過(guò)抗震措施提高變形能力，以增加剪力墻的延性。 塑性鉸的長(zhǎng)度一般為0.3~0.8 倍墻肢截面長(zhǎng)。 適當(dāng)提高塑性鉸范圍及其以上相鄰范圍的承載力、加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施，對(duì)于提高剪力墻的抗震延性非常有用。

3.2.1 合理確定底部加強(qiáng)區(qū)高度

剪力墻的底部加強(qiáng)部位包括底部塑性鉸范圍及其上部的一定范圍。 一般剪力墻結(jié)構(gòu)的底部加強(qiáng)部位高度可取墻肢總高度的1/8 和底部?jī)蓪佣叩妮^大值。

3.2.2 提高底部加強(qiáng)區(qū)抗剪能力

對(duì)底部加強(qiáng)區(qū)的剪力設(shè)計(jì)值適當(dāng)放大，以求墻肢的受剪承載力大于構(gòu)件彎曲時(shí)實(shí)際達(dá)到的剪力。應(yīng)當(dāng)注意， 規(guī)范規(guī)定的放大系數(shù)是以超配鋼筋不超過(guò)計(jì)算配筋10%為前提的， 在放大剪力的同時(shí)，不能隨意增加受彎承載力。

3.3 防止剪切破壞

在塑性鉸區(qū)，首先必須按強(qiáng)剪弱彎的原則設(shè)計(jì)，用截面屈服時(shí)的剪力進(jìn)行抗剪驗(yàn)算， 保證在抗彎縱筋屈服前墻體不被剪壞。 其次要嚴(yán)格控制剪壓比和墻分布筋數(shù)量，防止腹板混凝土剪切破壞。剪拉破壞屬于脆性破壞，可以通過(guò)配置水平和豎向分布鋼筋防止。斜壓破壞可通過(guò)限制受剪截面的剪壓比避免。

剪壓破壞是最常見(jiàn)的剪切破壞，其過(guò)程為：墻肢在水平和豎向力作用下，出現(xiàn)水平裂縫或細(xì)的傾斜裂縫，隨著水平力的增大，出現(xiàn)一條逐漸延伸的主要斜裂縫，從而引起混凝土受壓區(qū)減小。 斜裂縫盡端的受壓混凝土在剪壓復(fù)合應(yīng)力作用下被破壞，水平鋼筋屈服。 應(yīng)通過(guò)加強(qiáng)配筋構(gòu)造來(lái)避免這種情況發(fā)生。

3.4 防止施工縫處滑移破壞

剪力墻施工均存在水平施工縫，由此形成薄弱部位。 在強(qiáng)烈地震作用下，這些部位可能出現(xiàn)滑移破壞。 這種滑移破壞主要依靠豎向鋼筋和施工縫處摩擦力抵抗，因此，要對(duì)剪力墻施工縫處的豎向鋼筋進(jìn)行驗(yàn)算。 驗(yàn)算時(shí)可忽略混凝土的作用，考慮軸壓力的摩擦作用和軸拉力的不利影響。 由于施工縫處豎向鋼筋處于復(fù)合受力狀態(tài)，應(yīng)對(duì)鋼筋設(shè)計(jì)強(qiáng)度予以折減。 進(jìn)行軸向力計(jì)算時(shí)，受壓時(shí)有利，重力荷載的分項(xiàng)系數(shù)取1.0；受拉時(shí)不利，取為1.2。

3.5 分布鋼筋的最小配筋率

墻肢應(yīng)配置分布鋼筋。 分布鋼筋具有抗彎、抗剪、減少收縮裂縫等作用。 豎向分布鋼筋過(guò)少、墻肢端部縱向鋼筋屈服時(shí)，裂縫寬度大。 橫向分布鋼筋過(guò)少時(shí)，斜裂縫一旦出現(xiàn)就會(huì)發(fā)展成一條主要斜裂縫，使墻肢分為兩半。 豎向分布鋼筋也起到限制斜裂縫開(kāi)裂的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)懸臂剪力墻的受力特點(diǎn)和材料性質(zhì)， 選用合適的計(jì)算方法，可以保證剪力墻有足夠的承載力。根據(jù)剪力墻的動(dòng)力特性和地震作用的特點(diǎn)， 采取相應(yīng)的措施，并加強(qiáng)配筋構(gòu)造，可以實(shí)現(xiàn)剪力墻的良好延性性能。

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