建筑剪力墙结构体系设计分析

建筑剪力墙结构体系设计分析

杜建明

杜建明

深圳市新城市规划建筑设计有限公司518172

摘要：剪力墙结构在各类建筑物中比较多见，在建筑结构设计中，合理的结构设计决定着建筑结构的安全系数及经济性。本文结合工程案例，阐述剪力墙截面厚度设计要求，并提出短肢剪力墙设计的应用范围及加强措施。

关键词：剪力墙；结构设计

引言

随着我国社会经济的快速发展，高层建筑的不断增多。本项目为某市区保障房工程，抗震设防烈度为七度，地上20层，首层为汽车库，层高4.5m,二层以上层高2.8m，房屋总高度57.7m。建筑平面布置，两梯六户，户型为一房一厅，标准层面积：291.5m2。此建筑的标准层剪力墙布置详见图1。此高度的建筑，因抗震设计的需要，必须使建筑物具有足够的侧向刚度。另外相对于框架及框剪结构来说，剪力墙结构室内无柱及梁的棱角露出，更为美观，使用功能也更好，且增大了使用面积，故受到发展商和业主的广泛欢迎，因而大量应用于实际工程之中。对于新兴的短肢剪力墙结构，结构工程师在设计中应充分重视概念设计，根据其受力的特点，充分了解其破坏的各种机理，合理、对称、均匀地布置短肢墙，正确掌握计算机分析方法和截面设计，并不断地总结经验，才能设计出安全、经济、合理的建筑结构。

图1标准层剪力墙布置

一、剪力墙结构的平面布置及概念设计

2008年汶川地震之后，建设部重新出台了《建筑抗震设计规范》GB50011-2010(以下简称抗震规范)及《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010(以下简称高规)。新规范对剪力墙结构的规定更为严格和详细。

新规范将剪力墙边缘构件分为约束边缘构件和构造边缘构件，并对短肢剪力墙做了更严格的限制。所谓短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5—8的剪力墙，一般剪力墙则是指墙肢截面高度与厚度之比大于8的剪力墙。从图1可以看出，本工程基本采用的是一般剪力墙，由于建筑平面的限制，有个别部位采用短肢剪力墙，从而初步保证了建筑物的抗震性能。

抗震规范中规定，钢筋混凝土剪力墙结构的建筑，弹性层间位移角限值为1/1000。要满足这点要求，就必须保证建筑物有一定的侧向刚度，这就要求抗震墙的面积有一定的保证。在本工程设计中，为了做到安全和经济，本人将其楼层层间最大位移与层高之比控制在1／1100～1／1200之间。在平面布置剪力墙时，将底部剪力墙截面总面积与楼面面积之比控制在6～8%，剪力墙的体积与总建筑面积之比大约在l6～20%。主要布置原则，建筑物四角及核心筒加强布置，其余剪力墙结合建筑使用功能布置。剪力墙平面上分布力求均匀，使其刚度中心和建筑物质心尽量接近，以减小扭转效应，并通过改变墙肢长度和连梁高度调整刚心位置。结合建筑平面，采用L，T，Z，十字形等截面形式，且翼缘长度大于其厚度的3倍。避免采用抗震性能较差的一字型剪力墙。墙肢之间的梁净跨不大于6.0m，这样梁高也控制在500以内，不影响室内净高。在底部加强区，为满足“简体和一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50％”的要求，大部分墙肢截面高厚比大于8，使之成为一般剪力墙，非加强区则可视情况将墙肢长度适当减小或在墙肢上开小洞口。特别应注意的是，设转角窗(阳台)会降低结构的侧向刚度和抗扭刚度，且外墙内力显著增大，开洞的角部各构件扭转效应明显，因此应尽量避免。

二、剪力墙截面厚度设计要求

高规第7.2.1条第1款强调了剪力墙的截面厚度应符合本规程附录D的墙体稳定验算要求，墙顶等效竖向均布荷载设计值q应满足：q≤Ect3/10L02。

高规第7.2.1条第2-5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2-5款的要求列表如下，见表1。

表1剪力墙截面最小厚度

抗震等级

剪力墙部位

最小厚度

有端柱或翼墙

无端柱或翼墙

一、二级

底部加强区

200mm

220mm

其他部位

160mm

180mm

三、四级

底部加强区

160mm

180mm

其他部位

160mm

160mm

非抗震

160mm

160mm

本工程位于7度区，建筑总高度为57.7m，故剪力墙的抗震等级为三级。因底层层高较高，为4.5m，再考虑基础承台埋深，故底层剪力墙厚取为300mm。二、三层仍为底部加强区，综合控制轴压比考虑，墙厚取为250mm。四至六层大部分墙厚取200mm，个别短肢剪力墙及轴压比较大的墙厚仍取250mm。七层楼面以上墙厚统一为200mm。通过广厦结构软件GSSAP15.0计算，剪力墙均能满足规范要求。

三、短肢剪力墙设计的应用范围及加强措施

短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5～8的剪力墙，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。当截面高度与厚度之比小于3时，应按柱计算(当形成异型柱时，则应按异型柱的要求设计，但高层建筑中不允许采用异型柱框架结构)，至于剪力墙高度与厚度之比大于3、又小于5的剪力墙，实际上也是短肢剪力墙，由于它们更弱，所以提出不宜采用小于5的墙肢，对这种小墙肢的轴压比应修予更严格的限制，因此即使采用短肢剪力墙，也要尽可能使墙肢截面高度与厚度之比大于5。近年兴起的短肢剪力墙结构，有利于住宅建筑布置，又可进一步减轻结构自重，应用逐渐广泛。但是由于短肢剪力墙抗震性能较差，地震区应用经验不多，考虑高层住宅建筑的安全，其剪力墙不宜过少、墙肢不宜过短，可以对短肢剪力墙的应用范围应在设计中加以限制，并采取一些加强措施。

（1）应用范围

高层建筑结构不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构。设计时应注意：短肢剪力墙较多时，应布置简体(或一般剪力墙)，形成短肢剪力墙与简体(或一般剪力墙)共同抵抗水平力的剪力墙结构；其次，具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构最大适用高度应比规范中剪力墙结构的规定值适当降低，7度和8度抗震设计时分别不应大于100m和60m；第三，对于B级高度高层建筑和9度抗震设计的A级高度高层建筑，即使设置简体，也不应采用具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构；第四，如果在剪力墙结构中，只有个别小墙肢，不属于这种短肢剪力墙与筒体共同工作的剪力墙结构。

（2）加强措施

对于短肢剪力墙设计中应着重以下加强措施。

①为了限制短肢剪力墙的数量，在抗震设计时，简体和一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩50％。

②抗震设计时，短肢剪力墙截面厚度，底部加强部位不应小于200mm，其他部位不应小于180mm；目的是从构造上改善短肢剪力墙的延性。

③一、二、三级短肢剪力墙的轴压比分别不宜大于0.45、0.50、0.55，一字形截面短肢剪力墙的轴压比限值应相应减少0.1。对短肢剪力墙的轴压比限制，是防止短肢剪力墙承受的楼面面积范围过大、或房屋高度太大，过早压坏引起楼板坍塌的危险。

④对于短肢剪力墙的剪力设计值，不仅底部加强部位应调整，其他各层也要调整，一、二、三级时剪力设计值应分别乘以增大系数1.4、1.2和1.1，目的是避免短肢剪力墙过早剪坏。

⑤短肢剪力墙截面的纵向钢筋的配筋率，底部加强部位一、二级不宜小于1.2%，三、四级不宜小于1.0%；其他部位一、二级不宜小于1.0%，三、四级不宜小于0.8%。

⑥不宜采用一字形短肢剪力墙，不宜在一字形短肢剪力墙上布置平面外与之相交的单侧楼面梁。

四、结束语

综上所述，剪力墙结构刚度大，整体性好，用钢量较省，在居住性建筑中，居室和客房均为小开间，分隔墙较多。采用现浇剪力墙结构，可以将承重墙与分隔墙合二为一，相对来说比较经济。另外，室内较框架结构简洁，没有露梁、露柱现象。外形美观，便于室内布置，使用功能更好，且增大了使用面积。因此，剪力墙结构将会在城市建设中得到更广泛的应用。