談小高層住宅的剪力墻設計與概念設計

 

    隨著商品住宅建筑在我國城市建設中的發展，10層左右的小高層住宅建筑大量采用剪力墻結構。相對于框架結構來說，剪力墻結構剛度大，變形小，破壞程度低，容易滿足小震作用下結構的位移限值；大震時通過連梁和墻肢底部的塑性鉸范圍內的塑性變形，耗散地震能量，在設防較高的地區（8度及區以上地區）優點更為突出。另外剪力墻結構室內無柱及梁的棱角露出，更為美觀，使用功能也更好，且增大了使用面積，故受到開發商和業主的廣泛歡迎。

 

1、剪力墻設計中的剪力墻布置

    在結構設計中，為了做到安全和經濟，剪力墻結構的側向剛度不宜過大，剪力墻平面布置要力求均勻，使其剛度中心和建筑物質心盡量接近，以減小扭轉效應，必要時通過改變墻肢長度和連梁高度調整剛心位置。住宅建筑中往往會有很多短肢剪力墻，應結合建筑平面，采用L，T，Z，十字形等截面形式，且翼緣長度大于其厚度的3倍。一字型剪力墻抗震性能較差，應盡量避免。剪力墻墻肢截面高厚比宜大于5，墻肢之間的梁凈跨宜小于6.0 m，否則梁高會太大，影響室內凈高。 

     

    應特別注意的是，設轉角窗(陽臺)會降低結構的側向剛度和抗扭剛度，且外墻內力顯著增大，開洞的角部各構件扭轉效應明顯，因此應盡量避免。必須設置時，宜作如下處理:

    (1)轉角處沿窗線設置挑梁并相交。

    (2)窗邊兩道墻體應避免采用單片剪力墻和短肢剪力墻，適當加大墻肢配筋，并控制軸壓比。

    (3)靠窗邊的墻端暗柱配筋加強，尤其是箍筋加強，必要時暗柱可按約束邊緣構件配筋，或在建筑允許的情況下，靠窗邊的墻端設端柱。

    (4)將該房間的樓板加厚，雙層雙向配筋加強。

    (5)板內設斜向暗梁(或斜向拉結筋)，以連接窗邊兩墻體，或在建筑允許的情況下，直接設斜向連梁。

    (6)轉角窗窗下填充墻設置構造柱。

 

2、剪力墻墻肢截面厚度和配筋

    高規(JGJ 3-2002)第7.2.2條第1～3款規定了剪力墻的最小厚度，其主要目的是保證剪力墻出平面的剛度和穩定性能。

 

    對短肢剪力墻結構，高規(JGJ 3-2002)規定其抗震等級應比表4.8.2規定的抗震等級提高一級采用，故除6度區外，短肢剪力墻的抗震等級至少為二級。對于住宅建筑，填充墻厚一般為200 mm，相應剪力墻厚也取為200 mm。住宅層高一般為2.8～3.0 m，故二層樓面以上墻厚亦取200 mm，除底部加強區的一字形短肢剪力墻外，均能滿足規范要求。

 

    對于小高層住宅來說，剪力墻是量大面廣的構件形式，因此合理的控制剪力墻的配筋對于結構安全及工程的經濟性具有十分重要的作用。如若剪力墻布置規則合理，墻體配筋多以構造控制，在滿足結構整體計算的前提下適當減小墻厚，可以減少用鋼量。一般情況下加強區Φ10@200，非加強區Φ8@200雙層雙向即可，雙排鋼筋之間采用Φ6@600x600拉筋。但地下部分墻體則另當別論。因為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，而由于簡化計算經常由豎向筋控制，此種情況下為增大計算墻體有效高度，可將地下部分墻體的水平筋放在內側，豎向筋放在外側。雖然這樣設置施工不很便利，但對節省墻體配筋效果相當明顯。當然，如果地下室的外墻開間很小，也可將地下室外墻簡化成雙向板設計。但是，當開間橫墻較短時，在橫墻設計時要考慮此種情況外墻給它的附加作用。

 

3、邊緣構件的設計

    抗震規范(GB 50011-2001)（2008年版）及高規(J GJ 3-2002)規定：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；一、二級抗震設計剪力墻的其他部位以及三、四級抗震設計和非抗震設計的剪力墻墻肢端部均應設置構造邊緣構件。其目的是顯著提高墻體的延性，并且為防止剪力墻發生水平剪切滑動提高抗剪能力。在此筆者建議設計中應遵循抗震規范(GB 50011-2001)（2008年版）第6.4.6條“墻肢底截面在重力荷載代表值作用下的軸壓比小于本規范表6.4.6的規定值時設置構造邊緣構件”，小高層住宅一般都能滿足，這樣以來便可以大大降低工程投資，不僅為建設方節省了成本，也為設計單位贏得了好評。

 

4、連梁的配筋

    高層結構中，連梁是一個耗能構件，連梁的剪切破壞會使結構的延性降低，對抗震不利，設計時應注意對連梁進行“強剪弱彎”的驗算，保證連梁的彎曲破壞先于剪切破壞。因此，不能人為加大連梁的縱筋，否則，可能無法滿足“強剪弱彎”的要求。

 

    應注意的是，認為加大箍筋就能保證“強剪弱彎”是不正確的，當連梁不滿足截面控制條件時，盲目增加配箍的結果會導致箍筋充分發揮作用之前，連梁就已發生剪切破壞。

另外，筆者建議連梁高度在計算建模時宜取洞口頂至摟層或屋面高度即可（指窗洞處，門洞處根據具體層高而定）。因為連梁跨度一般很小，而剛度太大，若高度過大，在地震作用下勢必吸收更多的能量，致使連梁彎矩和剪力都很大，配筋不合理甚至超筋。

 

5、計算結果分析、判斷和調整

    一般使用中國建筑科學研究院PKPM工程部編制的軟件SATWE進行結構計算，并通過以下指標的控制對計算結果的合理性進行分析、判斷，確認其可靠性。

   

    ①振型數和地震力。振型個數一般可以取振型參與質量達到總質量的90%所需的振型數。 振型數應至少取3，由于程序按三個振型一頁輸出，所以計算時振型數最好為3的倍數。當考慮扭轉耦連計算時，振型數應不少于9。振型數的多少與結構層數及結構形式有關。底部總剪力也在合理范圍內，根據《建筑抗震設計規范》GB 50011-2001（2008年版）第5.2.5條，對于扭轉效應明顯或基本周期小于3.5秒的結構，結構任一樓層最小地震剪力系數值為：7度為0.016；7.5度為0.024；8度為0.032；8.5度為0.048；9度為0.064。

 

    ②周期比。周期比是限制結構的扭轉效應，目的是使結構不至于出現過大的扭轉，按照高規(J GJ 3-2002)第4.3.5條規定，結構扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比，A級高度高層建筑不應大于0.9，B級高度高層建筑、混合結構高層建筑及復雜高層建筑不應大于0.85。周期比不滿足要求時，需要增加結構周邊構件的剛度，降低結構中間構件的剛度，以增大結構的整體抗扭剛度。

 

    ③位移比。位移比是控制結構平面不規則的指標，按照高規(J GJ 3-2002)第4.3.5條規定，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，A級高度高層建筑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；B級高度高層建筑、混合結構高層建筑及復雜高層建筑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1.4倍。按照高規(J GJ 3-2002)第4.6.3條規定，剪力墻結構樓層層間最大位移與層高之比不宜大于1/1000。結構剛度太大，周期太短，導致地震效應增大，造成不必要的材料浪費；但結構剛度太小，結構變形太大，影響建筑物的使用功能和安全性。筆者建議小高層住宅的位移取1/1250~1/1500比較經濟。

 

    ④剛度比。剛度比是控制結構豎向不規則的指標，按照高規(J GJ 3-2002)第4.4.2條規定，其樓層側向剛度不宜小于相鄰上部摟層側向剛度的70%或其上相鄰三層側向剛度平均值的80%。若不滿足此條件，其薄弱層對應于地震作用標準值的地震剪力應乘以1.15的增大系數，并應對薄弱層部位采取有效的抗震構造措施和驗算薄弱層的彈塑性變形，層間彈塑性位移角限制不應大于1/120。

 

6 、結束語

    隨著國民經濟的迅猛發展，剪力墻結構已經成為多、高層住宅采用最為廣泛的一種結構形式，在滿足規范各指標的前提條件下，如何做到結構安全、可靠、經濟、合理，就成為我們每一個建筑結構工程師必需考慮的問題，否則難以滿足開發商和業主的要求，也就難于立足當今市場。

   

參考文獻:

[1]　《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2001（2008年版））

[2]　《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3-2002）

[3]　《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2002）