高层剪力墙在结构设计中的应用探讨

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摘要：剪力墙结构具有整体性好、侧向刚度大以及具有良好的抗震性能等特点，能够很好的承受全部水平力和竖向荷载，因此剪力墙在高层结构中广泛应用。本文笔者将结合具体的高层建筑设计实例，简要探讨剪力墙在结构设计中的应用，希望能对类似工程起到借鉴作用。

关键词：高层剪力墙；结构设计；结构布置

中图分类号： TB482 文献标识码： A

1.引言

剪力墙结构是采用钢筋混凝土墙体代替框架结构中的柱，从而起到承受竖向和水平荷载的结构。剪力墙能够很好的程度各种荷载引起的内力，同时能够有效地控制结构的水平荷载。由于具有这些优点，因此剪力墙在高层建筑中广泛应用。在剪力墙中，其墙肢长度是远大于厚度的，在平面内具有很大的刚度和承载力，而在平面外其刚度和承载力则相对较小。在荷载作用下，剪力墙处于偏心受压或者偏心受拉状态，在建筑结果中，剪力墙是一个平面构件，不仅承担作用在其平面内的剪力弯矩，同时还能承担竖向荷载。在各种荷载的共同作用下，剪力墙在水平力的作用下，表现出现类似底部嵌固与基础上的悬臂深梁。在地震和风荷载的作用下，剪力墙不仅应满足刚度的要求 ，同时还应具有足够的 延性和能力耗散能力。

2.工程概况

本工程为某市一商品房高层住宅楼，采用的结构形式为剪力墙结构。住宅楼的总高度为41.2m。地面上一共有14层，层高为2.9m，而地下则有1层，层高为3m。结构第一层室内外高差达到0.6m。建筑的总面积为4739平方米。建筑结构的设计使用年限是50年，抗震设防烈度为7度，设计地震加速度0．19，抗震设防类别为丙类，剪力墙的抗震等级为三级，场地类别为四类，设计的基本风压为0．55kN/m2，地面粗糙类别为B类。

3.结构布置

如图1所示为本住宅楼的标准结构平面布置图。

图1 标准层结构平面布置图

3.1剪力墙的布置

本工程采用的是剪力墙结构，从上到下采用主轴双向连续布置。地下室外墙的剪力墙结构的厚度为250mm，而内墙的厚度则为200mm。地上部分剪力墙结构的厚度为200mm。剪力墙结构在两个主轴方向上，抗侧刚度较为接近。其中X方向的抗侧刚度为4.08×107KN/m，而Y方向的抗侧刚度为4.72×107KN/m。主轴抗侧刚度相近可以确保结构有足够的抗扭刚度，能够有效的减少在地震荷载作用下结构所产生的扭转变形。为了确保剪力墙结构有足够的延性，本工程所采用的剪力墙墙肢截面的高度控制在8m以内，这样可以有效的避免剪力墙结构发生脆性破坏。对于每个独立墙段的总高度和截面高度，其比值应应控制在2以内。当在内墙厚度变化处，可能出现剪力墙的偏心问题，因此在厚度发生变化时其两侧应收敛，而外墙和楼、电梯墙可以采用一次收敛的方式。在本工程中，地面上剪力墙结构采用的混凝土强度为C30，而地下部分则为C35。

3.2梁、板的布置

在剪力墙结构中，连梁通常具有跨度小，截面大的特点。在地震和风荷载的作用下，连梁内 会产生较大的应力，因此在进行连梁的设计时，应特别注意以“强剪弱弯”的形式来确保连梁有足够的延性。当剪力墙墙肢与其平面外方向的楼面梁相连时，应适当的增加与沿梁轴线方向的垂直墙肢，从而可以有效的控制平面外的弯矩，避免梁端弯矩对墙产生较大的不良作用。本工程的楼板采用的现浇的方式，大部分楼板的厚度均为110mm，而在卫生间、阳台以及厨房处，楼板厚度则为90mm，在屋面处，楼板厚度为120mm。在本结构的11~13轴，楼板中有进行大开口布置，这样会造成局部楼板出现不连续的问题，因此在大开口处应采取洞口边补板的措施。在有开洞的楼板处，其每一边的净宽应控制在2m以上。梁、板结构均采用强度为C30的混凝土。

3.3剪力墙底部加强部位

在剪力墙底部需要进行局部加强，其加强的范围可取底部两层和墙体总高度的10%二者的较大值。底部加强部分的计算起点有两种，一种为加强部位的高度范围从地下室顶板算起。第二种则为当结构计算嵌固端位于地下一层底板或以上时，则剪力墙底部加强部位的范围应延伸到计算嵌固端。而本工程剪力墙底部加强部位的范围符合第二种的情况。如表1所示为地下一层和二层两个主轴的计算侧向刚度值。综合分析，可以知道本工程将嵌固端设置在基础顶面，这种方式在满足设计和规范要求的基础上，可以有效的减少地下部分楼板和剪力墙的混凝土和钢筋的用量，从而提高了工程效益。

表1地下一层和二层两个主轴的计算侧向刚度值

3.4短肢剪力墙的设置

短肢剪力墙的截面高度与厚度之间的比值在5~8之间。在结构中应尽量少布置短肢剪力墙。通常情况下短肢剪力墙的厚度应控制在200mm以内。本工程结构在仅在2轴和22轴设置了两段短肢剪力墙，所占的比例较小，因此本工程结构类型不属于短肢剪力墙结构。

4.计算分析

（1）剪力墙结构边缘构件设计。根据规范的规定，在剪力墙的两端和大开洞的两侧应设置边缘构件。通常情况下边缘构件主要有两种，分别为约束边缘构件和构造边缘构件。在三级抗震的剪力墙结构中，当轴压比在0.3以下时，可以不设置约束边缘构件。在本工程中，应在底部两层与地下一层的剪力墙两端设置约束边缘构件，而在三层以上的剪力墙两端应设置构造边缘构件。

（2）最大层间位移角和层间位移比。通常情况下，在高层建筑结构中，剪力墙应具有足够的刚度，从而确保结构的承载力和稳定性满足要求。因此在结构设计中，需要特别注意结构位移的控制，严格确保位移满足规范的要求。本工程对结构的最大层间位移角和层间位移比进行计算，其具体的结果为：在X方向上，最大的层间位移角为1/1162，而最大的层间位移比则为1.08；在Y方向上，最大的层间位移角为1/1157，而最大的层间位移比则为1.17。两个主轴方向上的最大层间位移角和层间位移比均能满足规范和设计的要求。

（3）结构抗扭刚度和抗倾覆技术。在高层建筑结构中，如果产生扭转效应将会对结构产生较大破坏作用。因此在结构设计中，扭转效应是判断设计合理性的一个重要指标。如表2所示为结构的扭转系数和平动系数。在结构设计中，可以通过位移比和周期比进行扭转效应的计算。在设计时，应综合考虑重力荷载、水平荷载以及水平地震的共同作用，在各种荷载的作用下，本工程在基础底面没有出现零应力区，因此本工程满足设计和规范要求。

表2结构的扭转系数和平动系数

（4）连梁的设计

在高层剪力墙结构中，连梁是作为抵抗水平荷载作用的第一道防线，同时可以对抗侧刚度起到调节作用。通常情况下在水平荷载作用下，连梁主要表现为脆性破坏和延性破坏。在对连梁的内力进行计算时，应综合考虑剪力墙的数量、剪力墙所承受的水平荷载，以及连梁的刚度等。因此在连梁的设计中，应结合建筑结构的实际使用情况，把握每个因素的影响，从而取得理想的设计结果。

5.结语

剪力墙结构体系作为当前高层建筑主要的结构类型之一，其不仅是有效的竖向承重体系，还可以有效抵抗水平力。文章通过笔者曾参与的工程设计实例，从探讨如何合理地进行剪力墙结构布置，系统探讨剪力墙结构布置以及相关的设计技术措施，为同类工程提供参考借鉴。

参考文献：

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