高层建筑结构剪力墙设计的几个问题

　　摘要：简单阐述剪力墙在布置、截面计算、厚度及配筋、轴压比、边缘构件、连梁等几个方面的问题
　　关键词：剪力墙；布置；截面计算；厚度及配筋；轴压比；边缘构件；连梁
　　
　　0引言
　　剪力墙广泛用于高层钢筋混砼房屋，规范规定的现浇钢筋砼结构房屋中，除框架结构外，其余几种结构体系均与剪力墙有关。
　　在受力方面，因为剪力墙的刚度大，容易满足小震作用下高层结构的位移限值。在地震作用下，其变形小，破坏程度低，可以设计成延性抗震墙。在大震时通过连梁和墙肢底部的塑性铰范围内的塑性变形，耗散地震能量。在与其他结构共同工作的同时，能吸收大部分的地震能量，降低其他结构的抗震要求。
　　下面就剪力墙设计的几个问题做简单的阐述：
　　1剪力墙的布置
　　1.1高层建筑应有较好的空间工作性能，剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置，形成空间结构，抗震设计时应避免单向布置剪力墙，幷宜使两个方向刚度接近。一般来说，剪力墙的平面布置遵循“均匀、对称、周边“的原则，且数量要适当。剪力墙配置过少时，结构抗侧刚度不够；剪力墙配置过多时，墙体得不到充分利用，抗侧刚度过大，会使地震力加大，自重加大，对结构并不利且会增加房屋建造成本造成浪费。
　　1.2剪力墙墙肢截面宜简单、规则，剪力墙的竖向刚度应均匀，剪力墙的门窗洞口宜上下对齐、成列布置，形成明确的墙肢和连梁。宜避免使墙肢刚度相差悬殊的洞口设置，具有不规则洞口布置的错洞墙，可按弹性平面有限元方法进行应力分析，并按应力进行截面配筋设计或校核。
　　1.3剪力墙应设计成高宽比（墙段的总高度与其截面高度之比）大于2的剪力墙，高宽比大于2的剪力墙可避免脆性的剪切破坏。当墙体长度很长时，为了满足墙段高宽比大于2的要求，可通过开设洞口将长墙分成长度较小、较均匀的联肢墙或整体墙，洞口连梁宜采用约束弯矩较小的弱连梁（其跨高比宜大于6），使其可近似认为分成了独立墙段。此外，墙段长度较小时，受弯产生的裂缝宽度较小；墙体的配筋能够较充分的发挥作用。因此，墙肢的长度（即墙肢截面高度）不宜大于8米。
　　1.4剪力墙对结构的抗侧刚度有很大的影响，为避免结构沿高度发生刚度突变，剪力墙宜自下到上连续布置。
　　2剪力墙的截面计算
　　剪力墙的截面计算是考虑水平和竖向荷载作用下进行结构整体分析，求得内力后按偏心受压或偏心受拉进行正截面承载力和斜截面受剪承载力验算。在集中荷载作用下，墙内无暗柱时还应进行局部受压承载力计算。按一级抗震等级设计的剪力墙，在水平施工缝处需进行抗滑移验算。具体详《高规》JGJ3-2002第7.2.1～7.2.13条之规定。
　　3剪力墙的厚度及配筋
　　3.1剪力墙的厚度应符合《高规》第7.2.2条之规定。之所以要规定剪力墙的最小厚度，其目的是保证剪力墙出平面的刚度和稳定性能。当墙平面外有与之相交的剪力墙时，可视为剪力墙的支承，有利于保证剪力墙出平面的刚度和稳定性能，因而可在层高及无支长度二者中取较小值计算剪力墙的最小厚度。
　　3.2剪力墙竖向和水平筋分布的配筋率，目前《高规》强制规定在一、二、三级抗震等级时不小于0.25%；部分框支剪力墙底部加强部位的配筋率不小于0.3%。剪力墙应采用双层双向配筋。墙体水平分布筋的作用是横向抗剪以防止墙体在出现斜裂缝后发生脆性剪切破坏，同时起到抵抗砼内部应力以防止砼出现裂缝的作用。设计中当建筑较高较长时配筋宜适当增加，特别在连梁部位或温度、刚度变化等敏感部位宜适当增加。墙体竖向分布筋的作用主要是抗弯，同时同水平分布筋一样也起到抵抗砼内部应力以防止砼出现裂缝的作用。为了使剪力墙具有一定的出平面抗弯能力，剪力墙的竖向分布筋不应采用单排分布钢筋。
　　3.3当剪力墙的厚度超过400时，如果仅采用双排配筋，形成中间大面积的素砼，会使剪力墙截面应力分布不均匀，因此宜采用三排或四排的配筋方案，受力钢筋可均匀分布成数排，或靠墙面的配筋略大。
　　4剪力墙的轴压比
　　为了保证在地震作用下剪力墙具有足够的延性，《高规》增加了有关剪力墙轴压比的规定，《高规》规定：抗震设计时，一、二级抗震等级的剪力墙底部加强部位，其重力荷载代表值作用下墙肢的轴压比9度一级时不宜超过0.4，7、8度一级时不宜超过0.5，二级不宜超过0.6。对于短肢剪力墙结构，抗震等级为一、二、三、级时分别不宜大于0.5、0.6、0.7。需要说明的是，规范只规定了一、二级抗震等级剪力墙底部加强部位及短肢剪力墙一、二、三级抗震等级的轴压比，那一、二级抗震等级的其他部位及三、四级抗震等级剪力墙的轴压比是不是就不需要控制了呢？笔者建议在没有可靠依据的前提下，大家还是不要把轴压比取得过大，一、二级抗震等级的其他部位及三、四级抗震等的剪力墙，可以参考一、二级轴压比限值采用，对延性要求不高的剪力墙可以适当提高。
　　5剪力墙的边缘构件
　　5.1剪力墙的边缘构件包括约束边缘构件和构造边缘构件。有研究表明，剪力墙的边缘构件有横向钢筋的约束，可改善砼的受压性能，增大延性。抗震设计时，为保证剪力墙在出现塑性铰后具有足够的延性，在剪力墙的墙肢端部应设置边缘构件。《高规》规定，一、二级抗震设计的剪力墙底部加强部位及其上一层的墙肢端部应设置约束边缘构件；一、二级抗震设计剪力墙的其他部位以及三、四级抗震设计和非抗震设计的剪力墙墙肢端部均应设置构造边缘构件。
　　5.2约束边缘构件的主要措施是加大边缘构件的长度及其体积配箍率，体积配箍率由配箍特征值计算。约束边缘构件的设计要求详《高规》第7.2.16条。笔者在此主要要强调的是有关配箍特征值的确定。实际上，约束边缘构件配箍特征值的大小与剪力墙的轴压比水平有关。《高规》第7.2.16条条文说明里解释：当墙肢轴压比达到或接近本规程表7.2.14的限值时，约束边缘构件的配箍特征值按本规程表7.2.16采用；当墙肢轴压比较小时，约束边缘构件的配箍特征值可适当降低。从解释里面我们不难看出，当墙肢轴压比达到或接近本规程表7.2.14的限值时，约束边缘构件的配箍特征值应取0.2（特一级0.24）；而后面一条，当墙肢轴压比较小时，约束边缘构件的配箍特征值可适当降低怎么理解和把握就成了问题。在这里必须要提到的一点是，《抗规》第6.4.6规定：当墙肢轴压比小于表6.4.6的规定值（9度一级0.1，8度一级0.2，二级0.3）时，一、二级剪力墙底部加强部位及相邻的上一层在剪力墙两端及洞口两侧可只设置构造边缘构件。在这种情况下，对于高层来说，考虑到高层建筑结构的重要性，仍然按高规7.2.15条的规定进行边缘构件的设计，但约束边缘构件的箍筋配箍特征值可取0.1。由此我们可以认为，当高层建筑结构剪力墙轴压比小于《抗规》表6.4.6条的限值时，配箍特征值可取0.1，其他情况，箍筋的配箍特征值可按轴压比的大小在0.1～0.2（特一级0.24）之间内插取值。

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