高层剪力墙结构设计探讨

　　摘要：随着社会经济的快速发展，高层建筑也如雨后春笋拔地而起。其结构的设计合理与否，直接关乎人们生命财产安全。本文根据笔者多年的工作经验，对高层建筑剪力墙结构设计进行分析。

　　关键词：高层建筑,剪力墙,模型及方法,结构设计

　　前言

　　高层住宅的发展和推广是解决城市发展带来的各种城市压力、人口压力、交通压力、居住压力等问题的必然途径，高层住宅的发展和推广可以有效的解决城市中心区域人口密度过大所引起住房问题，也为日后城市发展中，满足日益增长的人口住房需要提供了解决途径。但高层建筑结构设计的合理与否，直接涉及到人们的生命财产的安全、建造的造价高低。以下对高层建筑剪力墙结构设计进行论述。

　　一、剪力墙的特点及分类

　　剪力墙能较好的抵抗水平荷载。《建筑抗震设计规范》将其称为抗震墙。剪力墙能有效抵抗水平荷载，具有以下主要特点：①抗侧刚度大，侧移小;②室内墙面平整;③结构自重大，吸收地震能量大;④施工较麻烦，造价较高。剪力墙根据是否开洞和开洞大小，可以分为如下四类：(1)实体墙：不开洞或开洞面积不大于15%的墙。受力特点：如一个整体的悬臂墙。在整个高度上，弯矩图既不突变，也无反弯点，变形以弯曲型为主。(2)整体小开口剪力墙：开洞面积大于15%但仍较小的墙。受力特点：弯矩图在连梁处突变，在整个墙胺高度上没有或仅仅在个别楼层才发生反弯点。(3)双肢或多肢剪力墙：开洞比较大或洞口成列布置的墙。受力特点与整体小开口墙相似。(4)壁式框架：洞口尺寸大，连梁线刚度与墙肢线刚度相近的墙。受力特点：弯矩图在楼层处发生突变，而且在大多数楼层中都出现反弯点。

　　二、剪力墙结构分析模型及方法

　　剪力墙为多高层结构的主要抗侧力构件，承受水平荷载作用和承受竖向荷载作用。从几何方面讲，剪力墙分为开洞剪力墙和不开洞剪力墙两种类型。通用墙元用于模拟高层结构中剪力墙的，对尺寸较大剪力墙或带洞口剪力墙，按照子结构基本思想，南程序对其进行细分，形成小壳元，然后计算小壳元的刚度矩阵并叠加，最后用静力凝聚原理将内部自由度消去，将其刚度凝聚到边界节点上，从而保证墙元的精度和有限的出口自由度。

　　三、剪力墙结构的合理布置及相关设计规定

　　剪力墙结构中，剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置;抗震设计的剪力墙结构，应避免仅单向有墙结构布置形式，使其具有较好的空间工作性能，两个受力方向的抗侧刚度接近。

　　剪力墙墙肢截面宜简单、规则，剪力墙的竖向刚度应均匀，剪力墙门窗洞口宜上下对齐、成列布置，形成明确墙肢和连梁。

　　避免剪力墙脆性破坏。长剪力墙宜开设洞口(用砌体填充)，将其分成长度较均匀的若干墙段，墙段要采用弱梁连接，每个独立墙段总高度与其截面高度之比不应小于2。墙肢截面高度不宜大于5m。

　　剪力墙自下到上连续布置，避免刚度突变。控制剪力墙平面外的弯矩，保证剪力墙平面 外的稳定性。

　　四、工程实例设计分析

　　1工程概况及设计

　　计算模型为某小区26层剪力墙住宅楼，总建筑面积约17143.4m ，建筑层高2.9m，建筑高度76.6m。

　　1.1设计数据

　　本工程设计基准期50年，抗震设防烈度为6度，地震分组为第二组，设计基本地震加速度为0.059。本工程建筑场地为l类场地，按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。该工程为A级高度建筑，其结构抗震等级为四级。场地的特征周期Tg=0.305，水平地震影响系数最大值。max=0.04。基本风压0.35kN/m2，地面粗糙为C类，风压体形系数、风压高度变化系数及风振系数均按GB50009—2001《建筑结构荷载规范》的规定采用，楼面活荷载标准值按荷载规范取值。

　　1.2结构平面布置

　　结构平面布置考虑有利于抵抗水平和竖向荷载，受力明确，传力直接，尽量均匀对称，减少扭转的影响，建筑平面力求简单规则，以减少震害。一般情况下在层数较多(20层以上)的高层建筑中常采用传统的全现浇剪力墙体系。因为如采用短肢剪力墙体系，就使得结构较柔，结构顶点位移和层间位移不一定能满足规范要求，底部剪力系数也偏低，结构趋于不安全。

　　1.3结构竖向布置

　　结构竖向布置方面，该项目高宽~LH/B=5，符合抗震规范剪力墙结构6度设防小于6的要求。在抗震设计中要求结构承载力和刚度宜自下而上逐渐减小，变化均匀、连续，不要突变。该工程平面在竖向上没有大的内收外挑情况，平面从底至顶一致。竖向刚度的变化主要表现在分段改变构件截面尺寸和混凝土强度等级，从施工方便来说，改变次数不宜太多;但从结构受力角度来看改变次数太少，每次变化太大又容易产生刚度的突变。

　　2设计内容及结果

　　2.1最大地震力作用方向

　　最大地震力作用方向是指地震沿着不同方向作用，结构地震反映的大小也各不相同，那么必然存在某个角度使得结构地震反应值最大的最不利地震作用方向。设计软件可以自动计算出最大地震力作用方向并在计算书中输出，设计人员如发现该角度绝对值大于15度，应将该数值回填到软件的“水平力与整体坐标夹角”选项里并重新计算，以体现最不利地震作用方向的影响。

　　2.2结构基本周期

　　结构基本周期是计算风荷载的重要指标。设计人员如果不能事先知道其准确值，可以保留软件的缺省值，待计算后从计算书中读取其值，填入软件的“结构基本周期”选项，重新计算即可。

　　2.3周期折减系数

　　周期折减的目的是为了充分考虑框架结构或剪力墙结构中的填充砖墙刚度对计算周期的影响。由于填充墙作用，在早期弹性阶段结构会有很大刚度，因此会吸收很大地震力，当地震力加大时，填充墙首先破坏，刚度大大减弱。周期折减系数不改变结构自振特性，只改变地震影响系数。特性，只改变地震影响系数。周期折减系数取值，与结构中非承重墙体材料性质、多寡、构造方式有关，应由设计人员根据实际情况确定，可取0.75～1.0。

　　2.4框架梁刚度放大系数

　　对于现浇楼板，在采用刚性楼板假定时，楼板作为梁的一部分，在分析中可用此系数来考虑楼板对梁刚度贡献。梁刚度增大系数BK可在1.0～2.0范围内取值。程序自动搜索中梁和边梁，两侧均与刚性楼板相连的中梁的刚度放大系数为BK，只有一侧与刚性楼板相连的中梁或边梁的刚度放大系数为(1+BK)/2，其他情况的梁刚度不放大。本工程取BK=2。

　　2.5结果

　　(1)动力性能方面。通过刚度减少，方案一的第一平动周期由TI=1.4149s变为方案二TI=I.9572s，影响十分显著。平动周期数与扭转周期数量变化不大，方案一第一扭转周期值与第一平动周期的比值分别为0.797，方案二为0.699，均符合规范要求。可见方案二通过在剪力墙上开设结构洞或增大原有洞口，使结构刚度减小，从而增长了周期，使结构变“柔”。但扭转效应减小，说明结构布置更加合理。

　　(2)结构变形方面。

　　两方案的结构变形指标均符合规范要求。按六度设防计算时方案一最大层间位移角才1/4270，方案二最大层间位移角1/2782，较方案一有较大改进。但最大变形均发生在风载作用时，说明六度区的风荷载对高层建筑的影响已经超过地震荷载，设计时应将风荷载作为首要影响因素。但在较高烈度区时，随着地震烈度的提高，剪力墙所受的地震作用不断增大。地震荷载超越风荷载成为主要影响因素，其中层间位移比成为主要控制指标。

　　(3)结构内力方面。

　　方案二的基底弯矩值和剪力值均小于方案一的数值。因此减小结构刚度，增长周期，使地震影响系数减小，可有效减少地震力。并且随着震级的提高，地震作用成倍增加。同时，单从两方案的轴压比来看，剪力墙的数量还可进一步减少以充分发挥混凝土材料的性能，提高建筑物的经济性。

　　五、结束语

　　剪力墙结构应满足规范中的关于结构水平位移和地震力的要求，但如果要做到安全适用，经济合理，就必须在实际工作中有所判断，将结构水平位移和地震力控制在合理的范围内，然后检查结构的内力和配筋。

《高层剪力墙结构设计探讨》

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