高层建筑剪力墙结构设计论文

高层建筑剪力墙结构设计初探
摘要：本文作者从剪力墙设计中的基本出发，提出剪力墙设计应该满足新型高层建筑的各种要求、适应新的建筑观念，特别针对短肢剪力墙与异形柱结构设计做分析探讨。

关键词：高层建筑；剪力墙；结构设计；初探
中图分类号：tu984 文献标识码：a 文章编号：
1 高层建筑剪力墙设计概述
1.1 剪力墙结构中，墙是一平面构件，它承受沿其平面作用的水平剪力和弯矩外，还承担竖向压力；在轴力、弯矩、剪力的复合状态下工作，其受水平力作用下似一底部嵌固于基础上的悬臂深梁。

在地震作用或风载下剪力墙除需满足刚度强度要求外，还必须满足非弹性变形反复循环下的延性、能量耗散和控制结构裂而不倒的要求：墙肢必须能防止墙体发生脆性剪切破坏，因此注意尽量将剪力墙设计成延性弯曲型。

1.2 剪力墙高和宽尺寸较大但厚度较小，几何特征像板，受力形态接近于柱，而与柱的区别主要是其长度与厚度的比值，当比值小于或等于4时可按柱或异形柱设计，当墙肢高厚比大于4小于等于8，且肢厚小于等于300mm，按短肢墙设计，当高厚比大于8,或肢厚大于300mm且高厚比大于4的按一般剪力墙设计。

1.3 实际工程中剪力墙分为整体墙和联肢墙：整体墙如一般房屋端的山墙、鱼骨式结构片墙及小开洞墙。

整体墙受力如同竖向悬臂，当剪力墙墙肢较长时，在力作用下法向应力呈线性分布，破坏形态
似偏心受压柱，配筋应尽量将竖向钢筋布置在墙肢两端；为防止剪切破坏，提高延性应将底部截面的组合设计内力适当提高或加大配筋率；为避免斜压破坏墙肢不能过小也不宜过长，以防止截面应力相差过大。

联肢墙是由连梁连接起来的剪力墙，但因一般连梁的刚度比墙肢刚度小得多，墙肢单独作用显著，连梁中部出现反弯点要注意墙肢轴压比限值。

壁式框架：当剪力墙开洞过大时形成宽梁、宽柱组成的短墙肢，构件形成两端带有刚域的变截面杆件，在内力作用下许多墙肢将出现反弯点，墙已类似框架的受力特点，因此计算和构造应按近似框架结构考虑。

1.4 墙的设计计算是考虑水平和竖向作用下进行结构整体分析，求得内力后按偏压或偏拉进行正截面承载力和斜截面受剪承载力
验算。

当受较大集中荷载作用时再增加对局部受压承载力验算。

在剪力墙承载力计算中，对带翼墙的计算宽度按以下情况取其小值：即①剪力墙之间的间距；②门窗洞口之间的翼缘宽度；③墙肢总高度的1/10；④剪力墙厚度加两侧翼墙厚度各6倍的长度。

1.5 为了保证墙体的稳定性及便于施工，使墙有较好的承载力和地震作用下耗散能力，规范要求一、二级抗震墙时墙的厚度应≥160mm，底部加强区应≥200mm，“一”字型独立剪力墙厚度应≥180mm，底部加强区应≥220mm；三、四级抗震等级时应≥160mm，“一”字型独立剪力墙的底部加强区应≥180mm；竖向钢筋应尽量配置于边缘构件。

2 短肢剪力墙结构设计
短肢剪力墙结构是指墙肢的长度为厚度的4-8倍，且肢厚不大于300mm的剪力墙结构，常用的有“t”字型、“l”型、“十”字型、“z”字型、折线型、“一”字型。

2.1 短肢结构型式的特点
2.1.1 结合建筑平面，利用间隔墙位置来布置竖向构件，基本上不与建筑使用功能发生矛盾；
2.1.2 墙的数量可多可少，肢长可长可短，主要视抗侧力的需要而定，还可通过不同的尺寸和布置来调整刚度中心的位置；
2.1.3 能灵活布置，可选择的方案较多，楼盖方案简单；
2.1.4 连接各墙的梁，随墙肢位置而设于间隔墙竖平面内，可隐蔽；
2.1.5 根据建筑平面的抗侧刚度的需要，利用中心剪力墙，形成主要的抗侧力构件，较易满足刚度和强度要求。

2.2 结构设计中应重视的几个方面
2.2.1 由于短肢剪力墙结构相对于普通剪力墙结构其抗侧刚度相对较小，设计时宜布置适当数量的长墙，或利用电梯，楼梯间形成刚度较大的内筒，以避免设防烈度下结构产生大的变形，同时也形成两道抗震设防；
2.2.2 短肢剪力墙结构的抗震薄弱部位是建筑平面外边缘的角部处的墙肢，当有扭转效应时，会加剧已有的翘曲变形，使其墙肢首先开裂，应加强其抗震构造措施，如减小轴压比，增大纵筋和箍筋的配筋率；
2.2.3 高层短肢剪力墙结构在水平力作用下，显现整体弯曲变形为主，底部外围小墙肢承受较大的竖向荷载和扭转剪力，由一些模型试验反映出外周边墙肢开裂，因而对外周边墙肢应加大厚度和配筋量，加强小墙肢的延性抗震性能。

短肢墙应在两个方向上均有连接，避免形成孤立的“一”字形墙肢；
2.2.4 各墙肢分布要尽量均匀，使其刚度中心与建筑物的形心尽量接近，必要时用长肢墙来调整刚度中心；
2.2.5 高层结构中的连梁是一个耗能构件，在短肢剪力墙结构中，墙肢刚度相对减小，连接各墙肢间的梁已类似普通框架梁，而不同于一般剪力墙间的连梁，不应在计算的总体信息中将连梁的刚度大幅下调，使其设计内力降低，应按普通框架梁要求，控制砼压区高度，其梁端负弯矩钢筋可由塑性调幅70%-80%来解决，按强剪弱弯，强柱弱梁的延性要求进行计算。

3 异形柱结构设计
异形柱结构是指柱肢的截面高度与柱肢宽度的比值在2-4，肢厚不小于200mm，肢高不小于500mm,相对于正方形与矩形柱而言是异形的柱子。

它包括异形柱框架和异形柱框架剪力墙，常用的有“l”型、“t”型、“十”字型。

3.1 异形柱结构的特点
3.1.1 由于截面的这种特殊性，使得墙肢平面内外两个方向刚度对比相差较大，导致各向刚度不一致，其各向承载能力也有较大差异；
3.1.2 异形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面范围之外，受力时要靠各柱肢交点处核心砼协调变形和内力，这种变形协调使各柱肢内存在相当大的翘曲应力和剪应力，而该剪应力的存在，使柱肢易先出现裂缝，也使得各肢的核心砼处于三向剪力状态，它使得异形柱较普通截面柱变形能力低，脆性破坏明显；
3.1.3 特别是异形柱不同于矩形柱，它存在着单纯翼缘柱肢受压的情况，其延性更差。

由国内外大量的试验资料和理论分析，异形柱的破坏形态为：弯曲破坏、小偏压破坏、压剪破坏等，影响其破坏形态的因素有：荷载角、轴压比、柱净高与截面肢长比（剪跨比），配箍率以及箍筋间距s与纵筋直径d的比值等。

由于其受力性能的复杂，设计中必须通过可靠的计算和必要的构造措施来保证其强度和延性。

3.2 在进行结构设计应注意的问题
3.2.1 异形框架的计算。

由于其截面的特殊性，在柱截面对称轴内受水平力作用时，弹性分析计算其翘曲应力很小，此时如同承受水平力的偏压构件，仍可按平截面假定分析，按砼设计规范计算，特别是在框-剪，框-筒结构中，对6度及其以下烈度区的ⅰ、ⅱ类场地，框架柱只承担水平风载的一小部分，如按一般偏压柱计算，误差较小。

此时异形柱可用等刚度等面积代换成矩形柱后由程序进行整体分析。

而在水平力较大，且水平力作用在非主轴方向，则翘曲应力不容忽视，按平截面假定误差较大，则应对异形柱框架结构进行有限元分析，决定内力和配筋位置及大小。

在进行内力计算和
配筋计算时，宜选用带有异形柱计算功能的计算软件。

3.2.2 严格控制轴压比。

对框架结构，框-剪结构，柱的延性对于耗散地震能量，防止框架的倒塌，起着十分重要的作用，且轴压比又是影响砼柱延性的一个关键指标。

由试验结构分析，柱的侧移延性比随着轴压比的增大而急剧下降。

在高轴压比情况下，增加箍筋用量对提高柱的延性作用已很小，因而轴压比大小的控制对柱的延性影响至关重要，特别是异形柱结构剪力中心与截面形心不重合，剪应力使砼柱肢先于普通矩形压剪构件出现裂缝，产生腹剪破坏，加上异形柱多属短柱，这些导致异形柱脆性明显，使异形柱的延性普遍低于矩形柱，因而对异形柱的轴压比要严格控制。

3.2.3 配筋构造。

在正确的结构选型及计算后，截面内钢筋的构造也是保证异形柱受力性能的重要因素。

由于异形柱截面的特点，柱肢端部会出现较大应力，加上梁作用于柱肢上应力的不均匀，一般越靠肢端应力越大，对柱肢形成偏心压力，进一步加大肢端压应力。

因而在异形柱配筋时，应在肢端设暗柱，暗柱的外排钢筋由计算而定。

离端部厚度范围内设2ф14的构造纵筋，箍筋同柱，这样可限制柱肢的砼裂缝的开展，提高异形柱局部抗压抗剪强度及变形能力。

柱上的箍筋不仅能抗剪，也可约束砼变形，增大其延性。

异形柱由于不易形成多肢复合箍，因而其配筋率只能由加大箍筋直径和加密间距来实现。

相同配箍率下，箍筋直径大，其延性指标好，因而箍筋且用ф8、ф10，其间距可比普通柱箍筋间距小。

以上两种新的结构由于在很大程度上克服了普通框架与普通剪
力墙结构的缺点，得到了各方面的肯定，有着较大的市场需求。

参考文献:
[1] 龙卫国．异形柱受力性能及结构设计有关问题探讨［j］．四川建筑，2011，（9）.
[2] 程绍革等．高层建筑短肢剪力墙结构振动台试验研究［j］．建筑科学.2009，（1）.。