剪力墙结构在水平荷载作用下受力特点分析

剪力墙结构在水平荷载作用下的受力特点分析

摘要：剪力墙可沿房间分隔墙布置，能与建筑平面较好的配合，而且剪力墙也是分隔墙，无柱子外凸的缺点，对住宅这一部分是恰当的。但对于底部有公共设施的情况则矛盾较大，除非另设结构转换层将下部改为另一种结构，但这时又出现了要处理结构转换层的问题。此外，剪力墙结构构造比柱子复杂。从受力角度看，剪力墙侧向刚度大，与中部筒体相结合，可以构成整体抗侧力很强的体系，对较高建筑有利。

关键词：高层建筑；剪力墙结构；水平作用；抗震性能；空间刚度；承重结构；整体性

1引言

高层建筑是社会经济发展和科学技术进步的产物。城市人口集中，用地紧张以及商业竞争的激烈化，促进了高层建筑的出现和不断发展。在高层建筑结构设计中，水平荷载是设计的主要控制因素。分析水平荷载与结构体系的关系，根据建筑高度、尺寸和其他条件，选择经济而有效的结构类型和结构体系，便成为结构设计的首要问题。

2 剪力墙结构体系良好的抗震性能

剪力墙结构是指纵横向主要承重构件和抗侧力构件全部为钢筋

混凝土墙的结构，同时墙体又起到内部空间分割和外部维护作用。剪力墙高度自基础至屋顶从几十米到一百多米不等，厚度一般为200~350mm 左右，最小可到 160mm，剪力墙结构的墙间距一般在

5~8米，施工方便，这些特点很适合在住宅、公寓等类建筑中使用。我国目前高层住宅建筑中，剪力墙结构所占的比例最大。

现浇钢筋混凝土剪力墙结构的整体性好，抗侧移刚度大，承载力高，在水平力作用下侧移小，经过合理设计，能设计成抗震性良好的钢筋混凝土延性剪力墙。由于剪力墙结构抗侧刚度大，在水平地震作用下它侧向变形小，且有很好的延性，在历次震害调查中，剪力墙结构表现出良好的抗震性能。

1977 年 3 月 15 日，罗马尼亚布加勒斯特附近发生 7.2 级地震，布加勒斯特市区的烈度为 8.5 度，共有 34 栋高层建筑倒塌。震后调查表明，整个震区中有一幢 11 层剪力墙建筑因施工质量问题导致倾覆倒塌外，其它大部分剪力墙结构建筑的主体破坏较轻，高达 20层的剪力墙结构住宅只是产生一些裂缝。

1988 年 12 月 7 日亚美尼亚斯比达克市发生 7.0 级地震，震中烈度为 10 度。列宁纳坎市距震中 30km，烈度 9 度，80%的建筑物被破坏，其中约 100 栋装配框架结构全部倒塌或严重破坏。而该市 7 栋装配式大板剪力墙结构的住宅，除在墙板结合处出现开裂、滑移外，无一破坏，震害轻微，其抗震性能远优于框架结构。1995 年 1 月 17 日在日本阪神发生 7.2 级地震，此次地震的竖向加速度为 0.3g，在倒塌和严重受损的多高层建筑中，钢筋混凝土结构约占 55%，其中多数是框架结构。但剪力墙结构抗震能力表现良好，多数只在窗间墙处发生 x 形裂缝，未发生严重破坏或倒塌。

2008 年 5 月 12 日，汶川 8.0 级地震中，高层剪力墙结构住宅没有发生严重破坏的实例，典型的破坏情况是：连梁发生剪切破坏、墙肢出现斜裂缝、边缘构件混凝土压酥及钢筋压屈。剪力墙结构整体表现良好。

3剪力墙力学性能及分类

3.1剪力墙力学特点及破坏形式

剪力墙既是结构受力构件，又是建筑的外部维护墙和内部房间功能分割墙。由于它是截面高度很大而厚度相对很小的”片”状构件，虽然它有承载力和平面内刚度大等优点，但也具有剪切变形大，平面外刚度小的缺点。在实际工程中，根据建筑功能的需要，墙体上的开洞情况变化多样，导致墙体受力复杂。

固定在基础上的较高悬臂墙是剪力墙的一种基本形式，该悬臂墙为一静定结构。墙体在轴向压力和水平力作用下破坏形式为以下四种：（a）弯曲破坏、(b)弯剪破坏、(c)剪切破坏、(d)滑移破坏。剪跨比?%d=m/vhw 表示计算截面处弯矩与剪力的相对大小，是影响剪力墙破坏形态的重要因素。试验显示?%d≥2 时，弯矩对截面的影响较大，破坏形式以弯曲破坏为主，构件的延性较好；当2>?%d>1 时，很难避免出现剪切裂缝，视设计措施是否合理得当而可能弯坏，也可能剪坏，如果按照强剪弱弯的原则进行合理设计，也可能实现延性尚好的弯剪破坏; ?%d≤1 的剪力墙，一般都出现脆性剪切破坏。

在实际工程中，滑移破坏很少出现，可能出现的位置是施工缝截

面处，多由施工质量较差引起，是可以避免的。

3.2剪力墙的分类

1、无洞单肢剪力墙

剪力墙的立面上没有任何洞口。这种墙肢实际是一竖向悬臂构件，在水平荷载作用下，墙体弯曲变形符合平面截面假定，墙肢截面的正应力为直线分布。其内力和变形计算可应用材料力学方法进行。

2、整体墙和小开口整体墙

当墙体上开洞满足以下两个条件：

（1）剪力墙开洞面积不超过墙面面积的 15%;

（2）开孔之间的净距及孔洞至墙边的净距大于孔洞长边尺寸。这时孔洞的影响可以忽略，这种类型的剪力墙实际上仍然是一个悬臂构件，其横截面的变形符合平面假定，正应力为直线分布，称为整体墙。

3、当剪力墙上门窗洞口规则成列布置，开洞总面积超过墙体面积 15%，但总的来说洞口还没有大到破坏剪力墙整体性。墙体截面变形仍符合平截面假定，正应力分布基本上保持直线分布形态，墙肢应力中出现由局部弯曲引起的应力，但其值不超过整体弯曲应力的 15%。在墙肢的高度方向上，除顶层墙肢外，其它墙肢没有反弯点。从整体而言，这种墙力墙仍类似一个竖向悬臂构件，这种墙体叫小开口整体剪力墙。

4、联肢剪力墙

在住宅或公寓建筑中，基本上每层平面都相同，墙体上有大量规则排列的洞口，这些洞口将同一轴线上的墙体分割成若干个墙肢，这些墙肢通过连梁或楼板相连。一般情况下，开有较大洞口的剪力墙其截面整体性已经破坏，水平荷载作用下正应力的分布较直线规律有较大的差别。由于墙肢的线刚度远大于同列两孔间所形成的连梁的线刚度，每根连梁中部均出现反弯点，连梁呈双曲率弯曲形态，而墙肢只在少数楼层出现反弯点，大部分墙肢呈单曲率弯曲形态，墙肢变形以弯曲变形为主。

5、框支剪力墙

为满足住宅底层商业大空间的需要，常取消底层部分墙体，采用框架结构支承上部剪力墙，称之为框支剪力墙，底部框架可以是一层，也可以是多层，但必须有一定数量的剪力墙直接落地。

6、不规则开洞剪力墙

一般情况下，这是由建筑功能要求决定的，在结构上往往会产生一些不利影响，应尽量避免。如不能避免时，应采用一些结构措施，以降低不利因素的影响，如开设一些建筑不需要的洞，使整体墙肢的开洞变的规则，再用轻质砌块来填充这些建筑不需要的结构洞口，在剪力墙中设置连续的暗梁和连缘构件，降低不规则开洞带来应力集中的不利影响。

7、短肢剪力墙

我国《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定，短肢剪力墙是墙肢截面高度与厚度之比为 5~8 的剪力墙，但这个定义很不明确，