混凝土剪力墙结构设计的相关分析
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【摘 要】随着城市化步伐的加快, 建筑的剪力墙结构引起了人们的广泛的关注。本文阐述了混凝土剪力墙结构设计的相关问题。
【关键词】混凝土；剪力墙；结构设计
由于框架剪力墙结构体系抗震性能好,建筑布局灵活,比纯框架结构更经济合理,所以在各种不同使用功能的高层、小高层建筑中被广泛应用。下面就剪力墙结构设计的相关问题进行分析。
1、建筑方案的确定对结构的影响
建筑方案要求满足总体规划的要求，建筑使用功能的要求，有时候要较大空间，较复杂的造型来满足这些要求。由于短肢剪力墙在布置上比较灵活并且可以使建筑获得较大的空间，因此，适当布置一些短肢剪力墙。在满足建筑要求需要的前提下，寻找合理的结构布置方案，我认为有以下几点影响：（1）由于房间功能分区的需要，在结构中一般不要只宣布一般剪力墙，以便造成房屋的总重量过大，对抵抗力水平地震作用不利；（2）为了获得较大的使用空间，短肢剪力墙的数量可能会布置过来，这样会造成整个房屋的整体刚度不足，从而可能会造成层间位移和顶点位移不满足规范的相关规定；（3）由于建筑功能的需要，有时需要在剪力墙上开洞，削弱了墙体的抵抗力，减小墙体的等效刚度，同时洞口四周的角度位置易受力而开裂，使结构丧失承载能力。当然，对于有些截面高度较大的墙体，在中间的位置开洞对结构可能是有利的，因为这样可以减少其等效刚度，减少分配到的地震力，从而使各剪力墙的受力均匀，整体抵抗力增强，充分发挥结构的承载能力。
2、水平荷载
水平荷载的大小由建筑结构的布置来决定的。
为了减少地震作用，可以选用较轻质的材料，这些材料同时能满足外墙保温，内墙隔断、隔音和防火的要求，能抵抗外力的作用，且不影响建筑使用要求。特别是高层建筑，需要考虑防火，以满足使用和安全疏散的要求，这样就要设置设备层包括水箱间、电梯机房，使得顶层的荷载较大，同时规范规定，对于突出顶层的小房子，当计算地震作用的同时，其重力荷载代表值乘以地震力增大系数3（但增大的部分不向下传），对结构的受力不利，所以在设计这些设备时只需要满足需要即可。
一旦建筑方案、选用的建筑材料、结构的布置确定，那么水平荷载的计算就只需按照规范的规定计算：高度不大于40m，质量和刚度分布比较均匀，以剪切变形为主的结构的地震作用可以用底部剪力法计算，除此之外的结构需要用振型分解法计算地震作用。
3、截面几何特征
（1）剪力墙等效刚度
等效刚度的计算首先要判断剪力墙的类型，在一定程度上，判断的剪力墙的类型就决定了剪力墙等效刚度的大小（针对同一片墙，由大到小依次为整体墙、小开口整体墙、联肢墙、壁式框架）。同时，剪力墙的类型又与墙上的开洞情况有关。正是这些原因，规范上规定剪力墙上开洞不宜过大，且孔洞间间距及孔洞至墙边净距不宜太小，采取构造措施对洞口进行加强，防止结构由于局部失去承载能力而使整个结构失去承载能力，否则剪力墙的等效刚度就较小，需要布置更多的剪力墙才能满足结构顶点位移和层间位移的需要。
（2）壁式框架的刚度
壁式框架的刚度主要与壁梁和壁柱的线刚度有关，壁梁和壁柱的线刚度主要与其截面的高度有较大的关系，壁梁的截面高度大，它的惯性距就大，对柱的约束能力越强，壁柱的截面高度大，柱的线刚度越大，两者结合起来，壁式框架的抗侧刚度就大，从而提高总壁式框架的等效剪切度。
（3）连梁刚度的计算
连梁刚度的计算，与计算简图的确定有关。据总剪力墙和总壁式框架间联系和互相作用方式不同，将壁式框架剪力墙结构水平荷载作用下的计算简图分为铰接体系和刚接体系。如果剪力墙之间由连系梁连接，连系梁对剪力墙产生约束弯矩，此时宜将结构简化为刚接计算体系，按规范要求计算连系梁的刚度，但有时把连系梁及由其连接的两片剪力墙看作联肢墙时，可以将结构简化为铰接体系，而无需计算连系梁对剪力墙的约束弯矩，在计算剪力墙的等效刚度时按联肢墙计算即可。
（4）结构的刚度特征值
结构的刚度特征值λ与结构的高度、剪力墙的等效刚度、总壁式框架的等效剪切刚度和连系梁的等效刚度有关，是反映综合壁式框架和综合剪力墙之间刚度比值的一个参数，是影响壁式框架-剪力墙结构受力和变形的主要参数（水平荷载在结构中的分配，从总剪力墙弯矩和总剪力的计算公式中可以看出，在结构轮廓尺寸确定的情况下，仅与结构的刚度特征值λ有关；结构在水平荷载作用下的位移计算也仅与剪力墙的等效刚度、结构的刚度特征值λ、外部荷载的简化形式有关）。
4、主体结构在水平荷载作用下的协同工作
水平荷载作用在结构中的分配，首先是根据结构的计算简图在总剪力墙和总壁式框架之间进行分配，如果是较接体系，把总壁式框架受到的总剪力根据柱的抗侧刚度的大小分配给各个壁柱，根据节点的平衡求得壁梁梁端的弯矩和剪力，把求得的剪力墙的总弯矩和总剪力按照墙体的等效刚度分配给各片剪力墙；如果是刚接体系，先根据壁式框架剪切刚度和连梁等效刚度分配广义总剪力，再把壁式框架受到的总剪力根据柱的抗侧刚度的大小分配给各个壁柱，根据节点的平衡求得壁梁梁端的弯矩和剪力，剪力墙的总弯矩需加上总连梁的约束力距，然后再按等效刚度进行分配。在这种分配方式下，对于壁式框架，抗侧刚度大的壁柱，受到的力就大，它的配筋需要加大。
5、内力计算及组合
重力荷载作用下，在高层建筑中，对于壁式框架，可以采用活荷载满布的情况通过分层法进架内力的计算。这种荷载布置方式可以覆盖大部分的不利内力组合的情况，能满足构件承载能力的要求。对于其他类型的剪力墙，在重力荷载作用下，只计算各个墙肢的轴力。
在进行内力组合的时候，由于是手算，且时间有限，只能取有代表性的构件进行组合。在竖向荷载作用下，由于是满布，结构的内力可以看作是固定的；在水平荷载作用下，壁式框架受到的力有几个层次：在底部受到的水平力较小，但由于轴力较大，需要进行内力组合；中间几层受到的水平力相对最大，轴力相对底层减少较多，需进行内力组合；顶上几层，轴力较小，为了更加经济，需对其进行内力组合，计算其配筋，减少钢筋的使用量。壁梁除了竖向荷载下产生的内力以外，主要是根据节点平衡分配给壁梁的弯矩，使壁梁梁端和跨中产生不利内力组合。由于在水平荷载下分配给壁框架的剪力进行了调整，所以各层壁梁和壁柱节点分配给壁梁的内力相差不大，对相应于壁柱内力组合的各层壁梁内力进行组合即可。
其它类型的剪力墙在底层受到的弯矩和剪力都很大，所以需要对底层的剪力墙截面进行内力组合，在中间偏上位置，由于剪力墙受到的弯矩和剪力都出现了转折点，为了降低成本，需对其进行内力组合，减少钢筋的使用量。
6、截面设计
壁式框架截面设计，按照一般框架截面设计理论进行设计。需根据荷载效应组合所得内力按构件正截面抗弯、斜截面抗剪承载力要求计算构件的配筋数量。
抗震结构在设防烈度下，构件进入塑性变形状态，为了有良好的耗能能力，以及在强震下结构不倒塌，抗震结构要求设计成延展性结构，其构件应有足够的延性。因此规范规定：在进行截面设计时，要做到“强柱弱梁（控制塑性铰出现的位置）、强剪弱弯（控制构件的破坏形态）、强节点强锚固（保证节点区的承载力）”，对壁梁和壁柱剪力设计值进行调整、壁柱的设计弯矩进行调整、底层柱的弯矩加大。
其他类型的剪力墙的截面设计，应进行正截面偏心受压、偏心受拉和斜截面抗剪承载力计算。墙体在集中荷载作用下还应进行局部受压承载力计算。在进行剪力墙配筋时，首先按构造要求确定水平和竖向分布钢筋，一般情况下，正截面纵向受力筋按对称配筋率的要求。同时规范规定，对剪力墙的底部加强部位的内力进行调整。对于开洞的剪力墙，小洞口脚部容易应力集中，应加强配筋，大洞口周围应设暗梁和暗柱，对洞口进行加强。