淺談高層住宅剪力墻結構設計

姜夏欣

（中聯西北工程設計研究院   西安  710082）

一、工程概況

    咸陽華泰世紀華城Ⅱ期1號樓位于咸陽市樂育南路和渭陽路十字東南角，交通極為便利，經調查地表無不良地質現象存在。該工程屬于住宅建筑，設計使用年限為50年。

二、概念設計與總體指標控制

    高層住宅剪力墻結構由于住宅建筑空間分割面積較小，很多設計人員對剪力墻布置往往有一定的隨意性，電算通過后就不加調整地去做施工圖，實際上如此結構布置很難做到安全、合理、經濟。概念設計的目標是使整體結構能發揮耗散地震的作用，避免出現敏感的薄弱部位導致過早地破壞，因此剪力墻的布置應以此為原則精心布置，方可使結構在整體上安全合理。目前很多設計剪力墻滿布，造成結構體系剛度過大，引起地震力加大，雖然滿足強度要求，但混凝土用量大，鋼筋用量也隨之加大(有數據顯示，有的設計僅室外地坪以上鋼筋用量就達到60 kg/㎡)，并且加大后的地震力有時集中于某些薄弱部位,造成安全隱患。而在某些設計中剪力墻布置又過少，結構體系中梁系互相搭接，以至傳力途徑不明確，同樣造成安全隱患。概念設計具體到工程設計中需要結構設計人員布置剪力墻時在結構平面上盡量使X向和Y向抗側剛度接近，剪力墻不宜過多以免剛度過大，在梁系布置上也應力求受力明確，傳力路徑簡捷，避免梁系為多重搭接傳力，造成安全隱患。在豎向布置上也要力求均勻，避免少數樓層出現敏感薄弱部位，使結構整體形成均勻的抗側力結構體系，在此基礎上，結合電算才能作出安全、經濟、合理的結構。在咸陽華泰世紀華城Ⅱ期1號樓主體剪力墻時，X向剪力墻墻肢與Y向剪力墻墻肢長度基本一樣，墻肢盡量多做成帶翼緣的L形、T形等，不做“一”字形短墻；高厚比多在8以上，通過這些措施使結構總體指標控制在規范允許范圍內。總體指標對建筑物的總體判別十分有用。譬如說若剛度太大,周期太短,導致地震效應增大，造成不必要的材料浪費；但剛度太小，結構變形太大，影響建筑物的使用，滿足不了規范規定的層間位移不得大于1/1000的限值。另外，對結構布置扭轉的控制，在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層豎向構件的最大水平位移和層間位移不宜大于該樓層平均值的1. 2倍，不應大于該樓層平均值的1. 5倍(該處的1. 2和1. 5表示取2位有效數字后的值，如：1.24取2位有效數字為1. 2)。設計中盡可能將剛心與質心重合，加大周邊墻的剛度，減少中間部位墻肢，從電算結果來看，該工程計算結果X方向最大值層間位移角:為1/1053，Y方向最大值層間位移角: 1/1130，均小于《高層建筑混凝土結構技術規程》[1](以下簡稱《高規》)第4. 6.3條要求的1/1000；X方向的最大位移比為1. 34, Y方向的最大位移比為1. 22均不大于1.5,滿足《高規》第4.3.5條的要求。X向剛重比為7.17，Y向剛重比為7.68，自振周期為2.1971s,均在合理范圍內。

三、基礎設計

    根據信息產業部電子綜合勘察研究院2011年9月提供《華泰世紀華城二期1#樓及地下車庫巖土勘察報告》（詳勘）可以知道，在擬建場地內及其附近無不良地質作用，該場地適宜建筑，地基基礎設計等級為甲級。

    該工程基礎采用混凝土樁基礎加600厚構造筏板基礎，樁基礎采用墻下布樁，構造筏板的配筋計算荷載取15%靜力荷載計算。

    樁基礎的成樁工藝為長螺旋鉆孔壓灌混凝土加后插鋼筋。具體做法為用長螺旋鉆鉆孔至設計標高，壓灌混凝土，然后采用高頻振動，下鋼筋籠成樁。在長螺旋干鉆法基礎上發展的壓灌混凝土樁因其不受地下水位的限制，成樁速度快，低噪音，無振動，單樁承載力高，工程造價低，綜合效益好，適應性強等優點近幾年在全國各地開始廣泛使用。

    長螺旋鉆孔壓灌混凝土樁有以下幾個優點：

    （1）適應性強：該樁型適用于粘性土，粉土，填土等各種土質，能在有縮徑的軟土、流沙層、沙卵石層、有地下水等復雜地質條件下成樁。

    （2）樁身質量好：由于混凝土是從鉆桿中心壓入孔中，混凝土具有密實、無斷樁、無縮頸等特點，并對樁孔周圍土有滲透、擠密作用。

    （3）單樁承載力高：由于是連續壓灌超流態混凝土護壁成孔，對樁孔周圍的土有滲透、擠密作用，提高了樁周土的側摩阻力，使樁基具有較強的承載力、抗拔力、抗水平力，變形小，穩定性好。

    （4）機械投入少：鉆機直接吊入鋼筋籠，節省了吊車臺班，減少了大型機械的投入量。

    該工程的樁基承載力極限值為7500KN，經過靜載試驗能達到7500KN，沉降平均值為38mm。承載力比普通的泥漿護壁正循環型樁的承載力提高約1.5倍。

四、剪力墻設計

    4.1、剪力墻科學合理的布置

    4.1.1、雙向布置剪力墻及抗側剛度

    高層建筑應有較好的空間工作性能，剪力墻結構應雙向布置，形成空間結構。在抗震結構中，應避免單向布置剪力墻，并宜使兩個方向抗側剛度接近，即兩個方向的自振周期宜相近。

    另一方面，剪力墻的抗側剛度及承載力均較大，為充分利用剪力墻的能力，減輕結構重量，增大剪力墻結構的可利用空間，墻不宜布置太密，使結構具有適宜的側向剛度。

    4.1.2、豎向剛度均勻

    剪力墻布置對結構的抗側剛度有很大影響，剪力墻沿高度不連續，將造成結構沿高度剛度突變，所以應要求剪力墻自上到下連續布置。允許沿高度改變墻厚和混凝土等級，或減少部分墻肢，使抗側剛度沿高度逐漸減小。

    4.1.3、墻肢高寬比

    細高的剪力墻容易設計成受彎曲破壞的延性剪力墻，從而可避免脆性的剪切破壞。在抗震結構中剪力墻結構應具有延性，設計中墻的高寬應比不應小于  2。當墻的長度很長時，為了滿足每個墻段高寬比大于2的要求，可通過開設洞口將長墻分成長度較小、較均勻的獨立墻段，每個獨立墻段可以是整體墻，也可以是聯肢墻。

    4.1.4、剪力墻洞口的布置

    剪力墻洞口的布置，會極大地影響剪力墻的力學性能。因此，布置剪力墻洞口時應滿足以下3方面要求。

    （1）規則開洞，洞口成列、成排布置，能形成明確的墻肢和連梁，應力分布比較規則，又與當前普遍應用程序的計算簡圖較為符合，設計結果安全可靠。同時宜避免使墻肢剛度相差懸殊的洞口設置；

    （2）對于錯洞剪力墻和疊合錯洞墻，二者都是不規則開洞的剪力墻，其應力分布復雜，容易造成剪力墻的薄弱部位，常規計算無法獲得其實際內力，構造比較復雜。其主要特點是洞口錯開距離很小，甚至疊合，不僅墻肢不規則，洞口之間形成薄弱部位，疊合錯洞墻比錯洞口墻更為不利，設計時應盡量避免。當無法避免疊合錯洞布置時，應按有限元方法仔細計算分析并在洞口周邊采取加強措施或采用其他輕質材料填充將疊合洞口轉化為規則洞口的剪力墻或框架結構；

    （3）具有不規則洞口剪力墻的內力和位移計算應符合規程的有關規定。目前除了平面有限元方法外，尚沒有更好的簡化方法計算。對結構整體計算中采用了桿系、薄壁桿系模型或對洞口作了簡化處理的其他有限元模型時，應對不規則開洞墻的計算結果進行分析、判斷，必要時應進行補充計算和校核。

    4.1.5、剪力墻的加強部位

    （1）抗震結構中出現塑性鉸的部位應作為加強部位。而剪力墻頂層、樓電梯間墻等不宜作為加強部位，這樣作的目的是對塑性鉸部位可以有更明確的措施，與由于溫度、收縮等需要的加強措施區別。

    （2）剪力墻塑性鉸出現后，剪力墻應具有足夠的延性，剪力墻底部塑性鉸出現都有一定范圍，該范圍內應當加強構造措施，提高其抗剪切破壞的能力。

    （3）為安全起見，設計剪力墻時將加強部位范圍適當擴大，抗震設計時，一般剪力墻結構底部加強部位的高度可取墻肢總高度的1/8和底部兩層二者的較大值，當剪力墻高度超過150m時，為避免加強區太高，其底部加強部位的高度可取墻肢總高度的1/10。

該工程剪力墻布置后，剛心和質心X向相差0.23m，Y向相差0.48m,扭轉效應相對較小；主梁擱置在剪力墻上的，在相應部位設置暗柱，以控制剪力墻平面外的彎矩。

    4.2、剪力墻配筋及構造

    4.2.1、剪力墻配筋

    該工程剪力墻地面以上墻厚為200mm、250mm、300mmm，水平鋼筋放在外側，豎向鋼筋放在內側。地面以上墻水平筋、豎向筋直徑為10、12，雙排鋼筋之間采用��6拉筋。地下部分外圍墻體豎向配筋��16@ 200為主要受力鋼筋，水平筋則構造配置。地下部分墻體配筋大多由水壓力、土壓力產生的側壓力控制，簡化計算后由豎向筋控制。為增大計算墻體的有效高度，可將地下部分墻體的水平筋放在內側，豎向鋼筋放在外側。地下部分墻體鋼筋保護層按《地下工程防水技術規范》第4.1.6條規定：迎水面保護層應大于50 mm。

    4.2.2、剪力墻邊緣構件的設置

    試驗研究表明，鋼筋混凝土設置邊緣構件后與不設邊緣構件的矩形截面剪力墻相比，其極限承載力提高約40%，耗能能力增大20%，且增加了墻體的穩定性，因此一般一、二級抗震設計的剪力墻底部加強部位及其上一層的墻肢端部應設置約束邊緣構件；其余剪力墻應按《高規》第7.2.17條設置構造邊緣構件。有工程技術人員對剪力墻約束邊緣構件配箍特征值偏大的問題進行了研究，對某具體工程計算結果中在墻肢軸壓比小于0.25情況下計算配筋僅為構造配筋，而約束邊緣構件配筋則高達40，造成設計時鋼筋配置困難，施工難度更大。對于短肢剪力墻,應按《高規》第7.1.2條控制配筋率加強區1.2%，一般部位1.0%；對于小墻肢其受力性能較差，應嚴格按《高規》控制其軸壓比，宜按框架柱進行截面設計，并應控制其縱向鋼筋配筋率加強區1.2%，一般部位1.0%；而對于一個方向長肢另一方向短肢的墻體，設計中往往按長肢墻進行暗柱配筋并不妥當，建議有兩種方法：其一，計算中另一方向短肢不進入剛度，則配筋可不考慮該方向短肢影響；其二，計算中短肢計入剛度，則配筋中應考慮該方向短肢的不利影響。建議該短肢配筋率在加強區取1.0%,一般部位可取0.8%。該工程地面一~六層設置約束邊緣構件，縱筋最大直徑為20，加強區暗柱配筋率最大為1.84%,最小為1.20%；七層以上為構造邊緣構件,構造邊緣構件縱筋配筋率普遍在0.53% ~1.00%。

    4.2.3、剪力墻的連梁

    剪力墻中的連梁跨度小，截面高度大，雖然在計算中對其剛度進行折減，但在地震作用下彎矩、剪力仍很大，有時很難進行設計，如果加大連梁高度，配筋值有時反而更大。連梁高度一般是從洞頂算到上一層洞底或從洞頂算到樓面標高。對于門洞，上述所示情況梁的高度是一樣的；但對于窗洞，連梁高度如果從窗洞算到上一層窗底，有時則高度太高，這樣高跨比太大，并且與計算圖形不符，相應配筋亦較大，不合理。所以連梁高度計算與設計統一規定從洞頂算到樓板面或屋面，對于窗洞樓面至窗臺部分可用輕質材料砌筑。對于窗臺有飄窗時，可再增加1根梁，2根梁之間用輕質材料填充。連梁配筋應對稱配置，腰筋同墻體水平筋。

剪力墻連梁對剪切變形十分敏感，《高規》對其剪力墻設計值的限制比較嚴，因此在抗震計算時，在很多情況下，經常會出現超限的現象。所謂超限在這里主要是指剪力墻連梁的截面尺寸《高規》第7.2.23條的抗震驗算要求，即通常所說的剪壓比超限或剪力超限。當剪力墻連梁截面不滿足抗震驗算要求時，可采取以下措施：

    （1）減小連梁截面高度。當連梁剪力設計值超過限值時，加大截面高度會吸引更多的剪力，因而更為不利，而減小連梁截面高度或加大連梁截面厚度則比較有效，但加大連梁截面厚度很難實現（除非同時加大剪力墻的截面厚度）。連梁截面高度減小后，過高的剪力墻洞口可以通過增設過梁和輕質填充墻來調整。

    （2）在連梁截面高度的中間部位設水平縫將一根連梁等分成兩根小連梁。結構整體計算時，連梁截面高度安設縫后小連梁的高度輸入，連梁截面寬度為原有連梁截面寬度的2倍；兩根小連梁的配筋相同，縱向鋼筋和箍筋均不宜小于整體計算結果輸出的配筋（配箍）截面面積的1/2。

    該工程的超限連梁就采用上述第二種措施，超限問題得到了比較好的解決。

    4.2.4、剪力墻的暗梁

    目前各設計院在剪力墻的樓層處均設置暗梁,而對暗梁的作用及配筋亦各有理解。對于框架-剪力墻結構,如剪力墻周邊僅有柱而無梁時,宜設置暗梁,并且要求剪力墻兩端是明柱,這是因為周邊有梁柱的剪力墻,抗震性能要比一般剪力墻要好。剪力墻結構則沒有這方面的要求,在墻板交接處設置暗梁對加強墻體整體性作用還是有利的,但究竟有多大則無從確定。因此在樓層位置設置暗梁雖然可行,但沒有必要設置太大斷面及配筋。該工程在地下室擋土墻頂面和頂層設置暗梁,斷面取墻厚×600mm\500mm兩種截面,配筋上下各分別為3��20、318。

五、結束語

    高層住宅剪力墻結構設計呈多樣化的趨勢,如何做到安全、經濟需要結構設計人員通過充分運用概念設計把握結構的整體性,科學布置剪力墻,合理設計基礎。為我市的基礎設施建設添磚加瓦。

    論文是在華盛所高級工程師、國家一級注冊結構工程師申世飛的悉心指導下完成的。論文從選題、參考資料的選取、到最終成稿自始至終得到了申工的精心指導與熱情幫助。從工程最初的建模，再到后期的畫圖，我都得到了申工無微不至的關懷與照顧，申工嚴謹的工作作風為我樹立了良好的榜樣，將使我在以后的工作生活中一直受益，在此向我尊敬的申工表示誠摯的謝意！

參考文獻

    [1] 中國建筑科學研究院。JGJ 3—2002《高層建筑混凝土結構技術規程[S]》。北京:中國建筑工業出版社, 2002。

    [2] 國家標準《地下工程防水技術規范[S]》GB 50108—2001,北京:中國計劃出版社, 2001。

    [3] 國家標準《混凝土結構設計規范[S]》GB 50010—2002,北京:中國建筑工業出版社, 2002。

    [4] 朱炳寅.建筑結構設計問答及分析[M].北京：中國建筑工業出版社。2009

    [5] 劉錚.建筑結構設計誤區與禁忌實例[M].北京：中國電力出版社。2009

    [6] 姜學詩.建筑結構施工圖設計文件審查常見問題分析[M].北京：中國建筑工業出版社。2010

(本文來源：陜西省土木建筑學會      文徑網絡：呂琳琳  尹維維 編輯    劉真 文徑 審核)