高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的幾點體會

劉莉

摘要：本文通過對高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中普遍存在的一些問題的概述，以及對這些問題的處理，反映概念設(shè)計的重要性。結(jié)構(gòu)設(shè)計只有在方案階段主動與建筑專業(yè)合作，用自身擁有的結(jié)構(gòu)受力，變形的整體概念去構(gòu)思結(jié)構(gòu)方案。通過概念來確定結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的可行性。這樣，在施工圖設(shè)計階段就不會引起較大的變更和反復(fù)，從而提高了設(shè)計效率。

關(guān)鍵詞：剪力墻高厚比位移比和周期比質(zhì)心和剛心墻體穩(wěn)定性

短肢剪力墻 地下室外墻

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和國家關(guān)于土地方面政策的下達，提高建筑容積率、節(jié)約土地是擺在我們面前的主要問題。所以高層民用建筑越來越受到人們的重視，并已得到普遍應(yīng)用。這使得我們設(shè)計人員都有機會參與高層建筑的設(shè)計。高層建筑不僅房屋高度越來越高，建筑功能越來越復(fù)雜，而且立面造型也越來越要求完美?，F(xiàn)在的建筑行業(yè)幾乎都存在一個問題，只要方案一確定，向開發(fā)商提交施工圖的時間已接近后期. 最終結(jié)構(gòu)工程師怎樣才能更快更好的完成結(jié)構(gòu)設(shè)計呢？

眾所周知，結(jié)構(gòu)設(shè)計只有在方案階段主動與建筑專業(yè)合作，用自身擁有的結(jié)構(gòu)受力，變形的整體概念去構(gòu)思結(jié)構(gòu)方案。通過概念來確定結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的可行性。這樣，在施工圖設(shè)計階段就不會引起較大的變更和反復(fù)，從而提高設(shè)計效率。

因為剪力墻在建筑上有布置靈活，室內(nèi)無結(jié)構(gòu)突出棱角，便于裝修等優(yōu)點。結(jié)構(gòu)上有剛度大，在水平荷載作用下，側(cè)位移少，能夠抵抗較多的水平力等優(yōu)點，因此在高層建筑結(jié)構(gòu)中廣泛被采用。

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)初步設(shè)計時總會遇到下面一些問題：位移比，周期比不滿足規(guī)范要求；剪力墻之間連梁容易超筋，連梁截面高度加大更超筋；第一，第二振型出現(xiàn)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)超標(biāo)。這就需要結(jié)構(gòu)工程師調(diào)整結(jié)構(gòu)方案，建立合理計算模型，使得上述問題得到完美解決，并滿足規(guī)范要求。

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中，首先方案應(yīng)合理布置，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)同項目建筑師共同分析建筑圖，找出計算中可能存在的薄弱部位，扭轉(zhuǎn)部位等。抓住主要矛盾，注意關(guān)鍵幾步，那么在后來的模型計算或施工圖審查中較容易過關(guān)?，F(xiàn)把個人設(shè)計中的幾點體會作簡單總結(jié)，和設(shè)計同行們交流探討。

1. 剪力墻布置原則。剪力墻布置要分散,雙向,對稱及沿建筑物周邊等，以減少結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。剪力墻截面形式一般采用L形,T形，十字形，應(yīng)避免一字形截面。當(dāng)房屋縱向長度超出規(guī)范限值時，剪力墻不宜集中布置在房屋兩端。否則應(yīng)在平面中適當(dāng)部位設(shè)置溫度縫或施工后澆帶以減少混凝土硬化過程中的收縮應(yīng)力影響。結(jié)構(gòu)盡量布置一般剪力墻（墻肢截面高厚比大于8），局部布置短肢剪力墻（截面高度不大于300,墻肢截面高厚比在4~8之間）。當(dāng)墻肢截面高厚比不大于4時，宜按框架柱設(shè)計,見《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010第7.1.7條。

2. 由于短肢剪力墻受力不利，規(guī)范要求較嚴且明確規(guī)定不應(yīng)全部采用。結(jié)構(gòu)還應(yīng)布置一定數(shù)量的一般剪力墻, 見《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010第7.1.8條。當(dāng)結(jié)構(gòu)存在部分短肢剪力墻時，應(yīng)在結(jié)構(gòu)計算后看結(jié)果顯示：1.底層短肢剪力墻所承擔(dān)的地震傾覆力矩不宜超過結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%。2.底層短肢剪力墻所承擔(dān)的地震傾覆力矩與結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的比值在30%~50%之間，按短肢剪力墻結(jié)構(gòu)處理，從嚴采取措施，并滿足規(guī)范關(guān)于短肢剪力墻的各項要求。2.底層短肢剪力墻所承擔(dān)的地震傾覆力矩與結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的比值小于30%時，為一般剪力墻結(jié)構(gòu)。

3. 剪力墻厚度。剪力墻厚度除一方面需滿足建筑功能及節(jié)能要求，結(jié)構(gòu)滿足承載力，穩(wěn)定性要求外，還需遵守相關(guān)規(guī)范的規(guī)定。規(guī)范有些條文看似簡單，但真正實施卻容易疏忽。《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010第6.4.1條明確規(guī)定剪力墻厚度按層高或無支長度的比例取值。

a. 抗震墻的厚度，一，二級不應(yīng)小于160mm且不宜小于層高或無支長度的1/20，三，四級不應(yīng)小于140mm且不宜小于層高或無支長度的1/25；無端柱或翼墻時，一，二級不宜小于層高或無支長度的1/16，三，四級不宜小于層高或無支長度的1/20；

b. 底部加強部位的墻厚，一，二級不應(yīng)小于200mm且不宜小于層高或無支長度的1/16，三，四級不應(yīng)小于160mm且不宜小于層高或無支長度的1/20；無端柱或翼墻時，一，二級不宜小于層高或無支長度的1/12，三，四級不宜小于層高或無支長度的1/16；

一般上部結(jié)構(gòu)剪力墻厚度都注意按規(guī)范規(guī)定取值，卻容易忽略地下室墻體厚度。結(jié)構(gòu)建模中地下室部分一般是從上部一層復(fù)制。結(jié)構(gòu)試算后，計算結(jié)果無異常。若此時地下室層高較大時，就會隱藏隱患。地下室外墻由于承受周邊側(cè)壓力，墻體厚度一般取值較大。不會出現(xiàn)墻體厚度不滿足規(guī)范要求。那么地下室內(nèi)墻墻體厚度不滿足規(guī)范規(guī)定問題，就會在校核階段或施工圖審查時暴露?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010第7.2.1條規(guī)定，當(dāng)墻體厚度不滿足要求時，應(yīng)按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》附錄D計算墻體的穩(wěn)定。若墻體的穩(wěn)定不足，結(jié)構(gòu)施工圖紙必然返工。

4. 剪力墻平面外樓面梁錨固。剪力墻在其平面內(nèi)剛度及承載力很大，但平面外剛度及承載力卻相對較小。當(dāng)剪力墻與平面外的樓面梁連接時，會引起剪力墻平面外的彎矩，而一般情況并不驗算平面外剛度及承載力。因此，當(dāng)剪力墻平面外連接有樓面梁時，為了減少樓面梁端部彎矩對剪力墻的不利影響，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010第7.1.6條采取如下措施。

a. 沿樓面梁軸線方向設(shè)置與其相連的剪力墻。

b. 當(dāng)不能設(shè)置與樓面梁軸線方向相連的剪力墻時，宜在墻與梁相交處設(shè)置扶壁柱。扶壁柱宜按計算確定截面及配筋。

c. 當(dāng)不能設(shè)置扶壁柱時，應(yīng)在墻與梁相交處設(shè)置暗柱，并宜按計算確定配筋。

d. 必要時，剪力墻內(nèi)可設(shè)置型鋼。

e. 樓面梁水平錨固長度不足時，將樓面梁伸出墻面形成梁頭，梁縱筋伸入梁頭后彎折錨固。

對于以上措施，如果建筑平面布置允許，我們就按其中較合適的一項處理即可。但大多數(shù)情況以上措施不能執(zhí)行。例如沿樓面梁軸線方向設(shè)置與其相連的剪力墻或扶壁柱時，作為剪力墻翼緣或端柱應(yīng)滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010第7.2.15條表注第2條要求：翼墻長度小于其厚度3倍或端柱截面邊長小于墻厚的2倍時，視為無翼墻或無端柱。

剪力墻與平面外的樓面梁連接部位一般情況下出現(xiàn)在下面部位：外墻轉(zhuǎn)角處，分戶墻處窗洞處，采光井處及建筑立面要求造型處等空間較小的位置處。如果按剪力墻翼緣或端柱取值規(guī)定，建筑平立面就會受到影響。碰到這種情況，個人一般處理如下：

a. 剪力墻厚度不滿足樓面梁縱筋的錨固長度時。按鋼筋受拉承載力設(shè)計值相等的原則將大直徑縱筋換算成小直徑，以減少錨固長度。

b. 剪力墻平面外增加短墻，以增加樓面梁縱筋的錨固長度。短墻可在施工圖中直接編輯。也可輸入模型中參與計算，不過在計算過程中會提示短墻警告，根據(jù)SATWE使用說明書，可以不作理會。

c. 采取機械錨固，在梁端增加短筋或鋼板與縱筋焊接。

關(guān)于《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010第7.1.6第c點設(shè)置暗柱，結(jié)構(gòu)模型通過PKPM程序計算后，混凝土剪力墻生成施工圖時，如果梁端剪力較大時，在墻與梁相交處會自動設(shè)置暗柱，否則按以上幾點處理即可。

5. 扭轉(zhuǎn)振型位置不合理。由于開發(fā)商對建筑平面功能布置要求完美，及建筑立面造型的需要。建筑物很難做到完全對稱。這樣整棟建筑物質(zhì)心和剛心位置必然存在差異，在地震作用或風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)。如果結(jié)構(gòu)方案布置不合理，扭轉(zhuǎn)振型位置會出現(xiàn)異常。

一般結(jié)構(gòu)方案布置合理，扭轉(zhuǎn)振型會出現(xiàn)在第三振型以后。《抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010第3.5.3條也要求“結(jié)構(gòu)在兩個主軸方向的動力特性（周期和位移）宜相近”。但是結(jié)構(gòu)方案布置后在最初的試算時扭轉(zhuǎn)振型往往會出現(xiàn)在第二振型，甚至在第一振型。根據(jù)這幾年的設(shè)計經(jīng)驗，扭轉(zhuǎn)振型如果出現(xiàn)在第一，二振型時，通過人為調(diào)整，提高抗扭剛度。利用結(jié)構(gòu)周期與剛度反比關(guān)系，提高需要減少周期方向的剛度或減少需要增大周期方向的剛度，可獲得較好的效果。那么試試作以下處理：

a. 扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)在第一振型時，首先看看第一振型的結(jié)構(gòu)自振周期數(shù)值。一般剪力墻結(jié)構(gòu)自振周期按0.06n（n為層數(shù)），如果計算后結(jié)構(gòu)自振周期遠遠小于0.06n，說明結(jié)構(gòu)布置過剛，需減少結(jié)構(gòu)內(nèi)部剛度（如減少剪力墻數(shù)量，降低混凝土強度等級等）以達到減少平動周期，增加周邊扭轉(zhuǎn)周期的目的。扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)在第一振型，結(jié)構(gòu)周期比（結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010第3.4.5條：A級高度高層建筑不應(yīng)大于0.9，B級高度高層建筑不應(yīng)大于0.85）肯定不滿足規(guī)范要求。

b. 扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)在第二振型時，且地震不利方向不超過15度時。說明結(jié)構(gòu)沿兩個主軸方向的抗側(cè)移剛度相差較大，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度相對其中一主軸的抗側(cè)移剛度合理，但相對于另一主軸的抗側(cè)移剛度過小，此時適當(dāng)減少結(jié)構(gòu)內(nèi)部剛度較大的一主軸，并相應(yīng)加強這主軸結(jié)構(gòu)外圍的剛度（如增加剪力墻長度或厚度，增加框架梁高度等），出現(xiàn)這種情況，結(jié)構(gòu)周期比較難滿足規(guī)范要求。

c. 扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)在第二振型時，且地震不利方向超過15度時。結(jié)構(gòu)位移比（樓層的最大彈性水平位移或?qū)娱g位移與該樓層兩端彈性水平位移或?qū)娱g位移的平均值之比，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010第3.4.5條：A級高度高層建筑不宜大于1.2，不應(yīng)大于1.5；B級高度高層建筑不宜大于1.2，不應(yīng)大于1.4）較難滿足規(guī)范要求。對于建筑平面特別復(fù)雜的時侯，容易出現(xiàn)這種情況。

首先查看平面質(zhì)心和剛性位置圖，根據(jù)兩者偏移位置，合理調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置，即加大質(zhì)心一側(cè)樓層抗側(cè)力構(gòu)件的剛度，如增加剪力墻長度或厚度；加大框架柱截面；增加框架梁高度等這樣反復(fù)調(diào)整后，直到質(zhì)心和剛性位置接近。兩者位置很接近時，查看振型，周期計算結(jié)果WZQ.OUT,扭轉(zhuǎn)振型已轉(zhuǎn)移到第三振型，地震不利方向也不超過15度，結(jié)構(gòu)周期比也滿足規(guī)范要求。查看平面配筋圖，會發(fā)現(xiàn)原來結(jié)構(gòu)內(nèi)部中跨高比很小的連梁有原來的超筋轉(zhuǎn)變?yōu)檎５呐浣睢?/p>

6. 無上部建筑的地下室頂梁的裂縫控制。當(dāng)?shù)叵率曳秶笥谏喜拷ㄖr，有無上部建筑地下室頂梁是作為一個整體參與計算，所以在作施工圖設(shè)計時很容易忽略一個問題，那就是無上部建筑的地下室頂梁的裂縫控制問題。這部分梁上部一般都有很厚的覆土，又處于露天環(huán)境。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2010第3.5.2條規(guī)定，環(huán)境類別應(yīng)取為二a類。再根據(jù)第3.4.5條，環(huán)境類別為二類時，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制等級應(yīng)為三級，最大裂縫寬度限制應(yīng)為0.2。所以在作施工圖設(shè)計時應(yīng)對地下室頂梁按有無上部建筑分別對待。

7. 地下室外墻垂直分布筋放置位置。地下室外墻厚度一般遠小于基礎(chǔ)底板，地下室內(nèi)墻間距又大小不等，有的相距較遠。因此在工程設(shè)計中一般把地下室頂板和地下室基礎(chǔ)底板作為地下室外墻的支點按單向板（單跨，兩跨或多跨，具體看地下室層數(shù)）計算。計算時地下室基礎(chǔ)底板處按固定端，地下室頂板處按鉸支座處理。由于地下室外墻底部承受很大的負彎矩。為了增加地下室外墻截面有效高度，地下室外墻垂直分布筋應(yīng)放在水平分布筋外側(cè)。另外，考慮到混凝土硬化過程及受溫度應(yīng)力影響，地下室外墻與內(nèi)墻交接處負彎矩效應(yīng)等影響，可能產(chǎn)生豎向收縮裂縫，因此地下室外墻水平分布筋也宜適當(dāng)增大。此時施工圖中對于地下室外墻應(yīng)加節(jié)點大樣或說明其與上部剪力墻配筋形式的不同。

以上是個人在高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中的幾點體會，并已在工程實踐中得以驗證。作為結(jié)構(gòu)工程師在結(jié)構(gòu)設(shè)計中都會遇到各種各樣的問題，我們應(yīng)認真分析問題產(chǎn)生的原因，從中找到解決問題的辦法，最終能更快更好的完成項目結(jié)構(gòu)設(shè)計。

參 考文獻

1)GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中國建筑工業(yè)出版社 2010北京

2)GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中國建筑工業(yè)出版社 2010北京

3)JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中國建筑工業(yè)出版社 2010北京