試析高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

賈成武

[摘要]剪力墻結(jié)構(gòu)既抵抗側(cè)向力又承受豎向荷載，被廣泛運用于現(xiàn)代高層建筑。由于其截面高度大而厚度相對很小，有著承載力大和平面內(nèi)剛度大等優(yōu)點，但也具有剪切變形相對較大的不利性能。文章以高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計作為論述重點，從結(jié)構(gòu)受力性能及規(guī)范相關(guān)條文進行了初步的探討。

[關(guān)鍵詞]剪力墻結(jié)構(gòu)、受力性能、抗震設(shè)計

[中圖分類號]F407.9 [文獻標識碼]A [文章編號]1672-5158（2013）06-0245-01

前言

剪力墻結(jié)構(gòu)是指用鋼筋混凝土墻代替框架結(jié)構(gòu)中的柱，以承受豎向荷載、抵抗水平荷載的結(jié)構(gòu)。其最大特點是能夠有效控制結(jié)構(gòu)水平作用?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》（2010年版，以下未注明處相同）稱之為抗震墻，本文按照工程界習慣稱作剪力墻。多數(shù)情況下，剪力墻截面高度大于其厚度8倍，厚度相對而言較薄，一般僅為200～300mm。因此，從墻體尺寸可以看出，其墻身平面內(nèi)抗側(cè)剛度很大，相反，平外面剛度卻很小。根據(jù)這一特點，在進行結(jié)構(gòu)方案布置時，墻體應(yīng)當沿建筑物主軸方向均勻布置，利用平面內(nèi)較大剛度承受縱橫兩個方向的水平和扭轉(zhuǎn)作用。抗震設(shè)計中，要求在正常使用及小震作用下，處于彈性工作狀態(tài)；在中等強度地震作用下，允許進入彈塑性狀態(tài)，但應(yīng)具有足夠承載力、延性；在強震作用（罕遇烈度）下，不應(yīng)出現(xiàn)倒塌。此外還應(yīng)保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。現(xiàn)通過對剪力墻結(jié)構(gòu)中抗震設(shè)計的相關(guān)要素分析，希望和廣大結(jié)構(gòu)設(shè)計人員進行交流，共同進步。

受力性能

（1）整體墻和小開口整體墻

由于沒有洞口或洞口很小，此類墻可以看作是一個整體懸臂墻。在軸向壓力和水平力作用下，懸臂墻破壞形態(tài)主要是彎曲破壞。彎曲破壞又分為大偏壓和小偏壓破壞，要設(shè)計成“延性剪力墻”就是要把剪力墻的破壞形態(tài)控制在彎曲破壞中的大偏心破壞范圍。從墻體尺寸而言，細高的剪力墻（高寬比大于）容易設(shè)計成彎曲破壞的延性剪力墻。另外，墻肢的平面長度（即墻肢截面高度）不宜大于8米。當一個結(jié)構(gòu)單元中有少量長度大于瞇的大墻肢時，計算中樓層剪力主要由這些大墻肢承受。一旦地震，尤其是在罕遇烈度地震時，大墻肢容易首先遭受破壞，而小的墻肢又無足夠配筋，使整個結(jié)構(gòu)可能形成各個擊破。當墻的長度很長時，可以開設(shè)洞口，將長墻分成較小長度、較均勻的肢墻，保證均勻受力。

（2）連肢墻

實際工程中，剪力墻經(jīng)過門窗分割形成連肢墻。洞口上下部位是連梁，洞口左右部位是墻肢。連肢墻的設(shè)計應(yīng)把連梁放在抗震第一道防線，在連梁屈服前，不讓墻肢破壞。連梁自身要做到受剪承載力高于彎曲承載力。目的就是“強肢弱梁”和“強剪弱彎”。無論是在整體的開洞剪力墻設(shè)計，還是在連梁、墻肢等局部構(gòu)件上的設(shè)計，都體現(xiàn)上述原則，才能保證墻肢安全。當連梁破壞時，結(jié)構(gòu)會繼續(xù)承載，直至墻肢截面屈服。

結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）強剪弱彎

為避免脆性剪切破壞，應(yīng)按照”強剪弱彎”的要求設(shè)計剪力墻墻肢。一般的方法是將剪力墻底部加強部分的剪力設(shè)計值增大，提高抗剪承載力。《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》6.2.8條規(guī)定了各個抗震等級剪力墻底部加強部位的剪力設(shè)計值應(yīng)乘以不同的剪力增大系數(shù)，以此進行抗剪配筋設(shè)計，從而實現(xiàn)“強剪弱彎”的結(jié)構(gòu)受力性能。

（2）加強底部塑性鉸區(qū)

一般在底部剪力墻彎矩最大，底截面鋼筋屈服后會形成塑性鉸區(qū)。而且，塑性鉸區(qū)（分布于一定范圍）是剪力最大部位，在反復荷載作用下，會形成交叉裂縫，可能出現(xiàn)剪切破壞。所以在塑性鉸區(qū)要采取加強措施，即底部加強部位。《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》6.1.10條規(guī)定了底部加強部位的具體高度要求。目的就是提高受剪承載力，加強抗震的構(gòu)造措施，提升結(jié)構(gòu)的彈塑性變形能力。

（3）限制軸壓比

為保證剪力墻延性，避免截面上受壓區(qū)高度過大而出現(xiàn)小偏壓情況，應(yīng)當控制剪力墻加強區(qū)截面相對受壓區(qū)高度，但截面受壓區(qū)高度與截面形狀有關(guān)，實際工程中剪力墻截面復雜，會增加計算受壓區(qū)高度的困難。為此，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》采用簡化方法，限制截面的平均軸壓比。計算軸壓比時，規(guī)范采用了重力荷載代表值作用下的軸力代表值，即考慮重力荷載分項系數(shù)1.2后的最大軸力設(shè)計值?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》6.4.2條具體要求了各個抗震等級下的墻肢軸壓比限值。在這里筆者想說明，2010年版《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》6.4.2條較之前版本規(guī)范，增加了剪力墻抗震等級三級時0.6的軸壓比限值要求（之前版本對抗震等級三級無軸壓比限值要求）。

（4）設(shè)置邊緣構(gòu)件

邊緣構(gòu)件分為約束邊緣構(gòu)件和構(gòu)造邊緣構(gòu)件兩類。約束邊緣構(gòu)件是指用箍筋約束的暗柱，端柱和翼墻，其箍筋較多（配箍率特征值相對較大），對混凝土的約束較強；構(gòu)造邊緣構(gòu)件的箍筋較少，對混凝土約束較差或沒有約束。剪力墻墻肢的塑性變形能力和抗地震倒塌能力，除了與縱向鋼筋有關(guān)外，還與截面形狀、截面相對受壓區(qū)高度（軸壓比），墻梁端的約束范圍、約束范圍內(nèi)的箍筋配箍特征值有關(guān)。當截面相對受壓區(qū)高度（軸壓比）大到一定時，需要設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，使墻肢端部成為箍筋約束混凝土。《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》6.4.5條對邊緣構(gòu)件的尺寸、配筋都做了具體的說明。特別是6.4.5-2款規(guī)定了“一、二、三級抗震墻，以及部分框支抗震墻結(jié)構(gòu)的抗震墻，應(yīng)在底部加強部位及相鄰的上一層設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，在以上其他部位可設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件。”這一點剛好就和本文之前提到的“加強底部塑性鉸區(qū)”一節(jié)相呼應(yīng)，可以看出，通過設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，可以提高墻肢端部混凝土極限壓應(yīng)變、改善剪力墻延性。

（5）控制墻肢截面尺寸

剪力墻墻肢截面厚度，除了要滿足承載力的要求外，還要滿足穩(wěn)定和避免過早出現(xiàn)斜裂縫的要求。一股情況下，把穩(wěn)定要求的厚度稱作最小厚度，通過構(gòu)造滿足。在實際結(jié)構(gòu)體系中，

樓板以及與剪力墻平面外相交的剪力墻，是剪力墻的側(cè)向支撐，可防止剪力墻失穩(wěn)。通常情況下，剪力墻最小厚度由樓層高度控制?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》6.4.1條規(guī)定了剪力墻最小厚度要求。設(shè)計時需留意。另外，就是本文之前提到過的墻段高寬比不宜小于3，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》6.1.9條也做了具體的要求。

（6）配置分布鋼筋

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》6.4.3條對剪力墻內(nèi)分布鋼筋的配置提供了具體說明。特別是6.4.3-1款：“一、二、三級抗震墻的豎向和橫向分布鋼筋最小配筋率均不應(yīng)小于0.25%，四級抗震分布鋼筋最小配筋率不應(yīng)小于0.20%。”剪力墻中，分布鋼筋的作用主要是：抗剪、抗彎、減小收縮裂縫等。如果豎向分布鋼筋過少，墻肢端部的縱向受力鋼筋屈服后，裂縫將迅速開展，裂縫的長度、寬度都較大；如果橫向分布鋼筋過少，斜裂縫一旦出現(xiàn)就發(fā)展成主要斜裂縫，剪力墻將沿斜裂縫被剪壞。因此，墻肢的豎向和橫向分布鋼筋最小配筋率是根據(jù)限制斜裂縫開展要求確定的。

結(jié)束語

剪力墻結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，且結(jié)構(gòu)布置靈活，可以很大程度減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件對建筑的使用影響，所以高層住宅較多使用這種結(jié)構(gòu)形式。在抗震設(shè)計中，針對剪力墻結(jié)構(gòu)受力體系及相關(guān)規(guī)范條文進行分析理解，合理采用計算分析方法，并采取相應(yīng)構(gòu)造措施，相信剪力墻結(jié)構(gòu)能夠以更加經(jīng)濟、實用的優(yōu)勢展現(xiàn)在住宅設(shè)計中，具有更廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻

[1]施嵐清——注冊結(jié)構(gòu)工程師專業(yè)考試專題精講建筑抗震設(shè)計機械工業(yè)出版社2011

[2]GB50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范北京：中國建筑工業(yè)出版社2010