剪力墙抗震结构的优化设计

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【摘要】：本文就剪力墙结构构造布置要求以及抗侧力设计和建筑外形设计的布置要求的基础上提出基于抗震结构优化的一些措施。

【关键词】：剪力墙抗震结构优化设计

中图分类号：TU398+.2文献标识码： A 文章编号：

一、剪力墙设计结构布置要求

1、剪力墙结构的分布钢筋

剪力墙分布钢筋的作用有：抗剪、抗弯、减少收缩裂缝等。若分布筋过少，抗震墙会由于纵向钢筋拉断而破坏。具体规定为：

(1)剪力墙厚度大于140mm时，竖向和横向分布钢筋应双排布置；双排分布钢筋间拉筋的间距不应大于600mm，直径不应小于6mm；在底部加强部位，边缘构件以外的拉筋间距应适当加密。

(2)一、二、三级剪力墙的竖向和横向分布钢筋最小配筋率均不应小于0.25%， 四级抗震墙不应小于0.20%；钢筋间距不应大于300mm，直径不应小于8mm。

(3)部分框支剪力墙结构的剪力墙底部加强部位，竖向及横向分布钢筋的最小配筋率均不应小于0.3%，钢筋间距不应大于200mm。

(4)剪力墙竖向、横向分布钢筋的直径不宜大于墙厚的1/10。

2、剪力墙的轴压比限值

影响压弯构件的延性或屈服后变形能力的因素有：截面尺寸、混凝土强度等级、纵向配筋、轴压比、箍筋量等，其主要因素是轴压比和配箍特征值。剪力墙墙肢的试验研究也表明，轴压比超过一定值，很难成为延性剪力墙。《抗震规范》规定的轴压比限值，9度一级墙最严，限值为0.4；8度一级墙次之，限值为0.5；二级墙的限值为0.6。当抗震墙的墙肢长度小于墙厚的3倍时，应按柱的要求进行设计，箍筋应沿全高加密。

3、剪力墙构造边缘构件的构造要求

(1)剪力墙的构造边缘构件范围，矩形端取墙厚与400mm的较大者，有翼墙时为翼墙厚300mm，有端柱时为端柱。

(2)剪力墙构造边缘构件的配筋区分底部加强部位和其他部位，除应满足受弯承载力要求外。底部加强部位的构造边缘构件采用箍筋，其他部位采用拉筋，其拉筋水平间距不应大于纵向间距的2倍，转角处宜采用箍筋。当抗震墙的构造边缘构件的端柱承受集中荷载时，其端柱的纵向钢筋、箍筋直径和间距应满足柱的相应要求。

4、连梁

连梁是对剪力墙结构抗震性能影响比较大的构件，采用斜交叉配筋方式，可以大大改善连梁的延性。但由于其配筋要求较高，构造复杂，《抗震规范》规定：一、二级剪力墙底部加强部位跨高比不大于2且墙厚不小于200mm的连梁，除普通箍筋外宜另设斜交叉构造配筋。一般连梁的跨高比较小，容易出现剪切斜裂缝，为了防止斜裂缝出现后的脆性破坏，除加大其箍筋配置外，还规定了顶层连梁的纵向钢筋锚固长度范围内应设置箍筋，其箍筋间距可采用150mm，箍筋直径应与连梁的箍筋直径相同。

二、基于剪力墙抗侧力结构与布置

高层钢筋混凝土框架—剪力墙结构中的剪力墙为第一道防线的主要抗侧力构件。为了提高其变形和耗能能力，对框架—剪力墙结构中的剪力墙墙厚、墙体最小配筋率和端柱设计等做出了较严格的规定：剪力墙的厚度不应小于160 mm且不应小于层高的1/20，底部加强部位的剪力墙厚度不应小于200 mm且不应小于层高的1/16。剪力墙的周边应设置梁(或暗梁)和端柱组成的边框。端柱截面宜与同层框架柱相同，并应符合有关框架构造配筋规定；剪力墙底部加强部位的端柱和紧靠抗震墙洞口的端柱宜按柱箍筋加密区的要求沿全高加密箍筋。剪力墙的横向和竖向分布钢筋，配筋率均不应小于0.25%，并应双排布置，拉筋间距不应大于600mm，直径不应小于6mm。框架—剪力墙结构的其他抗震构造措施，应符合对框架及剪力墙的有关要求。剪力墙结构由于自重大，刚度大，使其基本周期短、地震惯性力较大，因此，高度很大的剪力墙结构并不经济。

剪力墙是平面构件，在其自身平面内有较大的承载力和刚度，平面外的承载力和刚度小，结构设计时一般不考虑剪力墙平面外承载力和刚度。抗震设计的剪力墙结构，应力求使两个方向的刚度接近。

框架一剪力墙结构设计的关键是剪力墙的数量和布置。在一榀很长的框架中（为纵向），剪力墙不宜集中布置在该榀框架的两尽端，以避免在温度变化、结构涨缩时由于两端的约束作用而造成楼盖梁板开裂。剪力墙的间距不宜过大。要限制剪力墙的间距，不要超过表2-1所列的值。

表2-1 剪力墙间距 (m) (取较小值)

三、基于剪力墙结构建筑体形的抗震优化设计

高层建筑结构的设计，除了要合理选择结构抗侧力体系外，要特别重视建筑体形和结构总体布置。建筑体形是指建筑的平面和立面；结构总体布置是指结构构件的平面布置和竖向布置。建筑体形和结构总体布置对结构的抗震性能具有决定性的作用。

1、震害及抗震概念设计

结构抗震设计有许多不确定因素（地震特性、结构扭转等），进行精确的抗震计算是非常困难的。结构的抗震设计除了进行细致的计算外，要特别注重结构概念设计。概念设计是指在结构设计中，结构工程师运用“概念”进行分析，做出判断，并采取相应措施。根据概念设计，抗震房屋的建筑体形和结构总体布置应符合如下原则：采用规则结构，不采用严重不规则结构；确的计算简图和合理的传力路径；具有必要的刚度和承载力，具备良好的弹塑性变形能力和消耗地震能量的能力；部分结构或构件破坏不应导致结构倒塌，增加超静定结构的次数。满足抗震设计原则：即：“强节弱杆”、“强竖弱平”、“强剪弱弯”；置多道抗震防线，形成两道或多道的抗震防线，增强结构抗倒塌能力。第一道防线是地震时先屈服的结构单元和构件，应是延性大、耗能力好的结构单元或构件，如剪立墙结构的连梁等。第二道防线的结构单元也有足够的抗震能力，如框架-剪力墙结构的框架。

2、建筑平面和结构平面布置

高层建筑的外形分为板式和塔式两大类：板式建筑平面两个方向的尺寸相差较大，塔式建筑平面两个方向的尺寸接近。多数高层建筑为塔式。对抗风有利的建筑平面形状是简单规则的凸平面，如圆形，正多边形、椭圆形等平面，以减小风压，有较多凹凸的复杂平面，对抗风不利，如V形、Y形等。对抗震有利的建筑平面形状是简单、规则、对称、长宽比不大的平面。

参考文献：

[1]姚新红.框架-剪力墙结构的抗震性能分析[D].太原理工大学，2010.

[2]张毅.高层结构中剪力墙的构造要求及原因分析[J].四川建材，2010，36(2)：30-31，33.

[3]梁洁.论剪力墙结构设计研究[J].中华民居，2011，(4)：275-275.

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