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摘要：作为结构设计人员，在造价一定条件下如何最大限度地提高剪力墙的刚度，对于实现建筑结构安全效益、经济效益与社会效益的有机统一有着重要的意义。
关键词：高层建筑 剪力墙结构 要点
中图分类号：TU208文献标识码： A
前言
剪力墙结构在现代高层、超高层建筑中有着广泛的应用。一方面，剪力墙结构具有较大的抗侧刚度，能够很好的承受各类荷载并控制结构的水平力；另一方面，采用剪力墙结构还具有增加建筑物内部空间、减少用钢量等优点。
一、结构布置要点
剪力墙结构中竖向荷载、水平地震作用和风荷载都由钢筋混凝土剪力墙承受。所以剪力墙的布置应在满足建筑使用要求的前提下, 沿结构的主要轴线, 尽可能地规则拉通对称布置。既要考虑便于梁板等承担竖向荷载的构件的布置, 又要尽量使结构刚度对称, 减少偏心, 从而减少扭转效应的影响。同时, 应注意以下几个问题:
1、避免出现独立小墙肢
《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3- 2002) 中规定: “矩形截面独立墙肢的截面高度hw 不宜小于截面宽度bw 的5 倍。”在实际设计中, 独立小墙肢基本上可以通过合并洞口等方法消除, 或合理布置剪力墙, 使小墙肢成为墙体翼缘, 其受力状态明显好于独立小墙肢, 仅适当加强配筋即可。
2、谨慎采用短肢剪力墙结构
由于短肢剪力墙结构抗震性能较差, 地震区应用经验不多, 为安全起见, 《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3- 2002)对这种结构作了较严格的规定。短肢剪力墙并不具有经济性。
3、单片剪力墙刚度不宜过大
剪力墙结构应具有足够的延性, 细高的剪力墙(高宽比大于2)容易设计成弯曲破坏的延性剪力墙, 从而可避免脆性的剪切破坏。此外, 单片剪力墙刚度过大, 承担的水平力份额较大, 一旦破坏就会出现严重后果。同时, 墙段长度较小时, 墙体的配筋能够充分的发挥作用, 因此, 墙段的长度不宜大于8m。设计中, 可通过开设结构洞口将长墙分成长度较小的若干段, 洞口、连梁宜采用弱连梁(跨高比宜大于6)。
4、剪力墙结构整体刚度不宜过大
剪力墙结构刚度很大, 一般来说周期较短, 相应地震力较大,如果剪力墙结构刚度过大, 不仅材料消耗多, 不经济, 而且, 地震力过大会使部分墙肢和连梁超筋或截面不符合抗剪要求, 造成截面设计困难。一般宜控制剪力墙结构的刚度能满足位移限值要求即可。设计中, 可通过减薄墙厚、降低混凝土强度、加大洞口、减小连梁高度、窗下墙改用填充墙等措施来调整其刚度。
二、结构参数的控制要点
1、位移比。位移比是指楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与本楼层平均值的比值。主要为限制结构布置的不规则性, 以避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。规范中的位移比限制是针对刚性楼板假定作出的, 要求在考虑偶然偏心影响的地震作用下, 楼层竖向构件的位移比对于A级高度的高层建筑不宜大于1.2, 不应大于1.5, 对于B级高度、混合结构高层及复杂高层不宜大于1.2, 不应大于1.4。
2、侧向刚度比。主要为了控制结构的竖向规则性。5高层建筑混凝土结构技术规程6 ( 后称高规)中要求: 包括某楼层抗侧刚度小于其上一层的70% 或者小于其相邻三层侧向刚度平均值的80%, 或结构楼层层间抗侧力结构的承载力小于其上一层的80%, 或某楼层竖向抗侧力构件不连续, 其薄弱层对应于地震作用标准值的地震剪力应乘以1.15的增大系数。
3、周期比。主要是为控制结构扭转效应, 减少扭转对结构产生的不利影响。关键是限制结构扭转为主的第一自振周期T t与平动为主的第一自振周期T1之比。当二者接近时,由于振动耦联的影响, 结构的扭转效应明显增大。规范中要求周期比对于A 级高度高层建筑不应大于0.9, B 级高度高层建筑, 混合高层建筑及复杂高层建筑不应大于0.85。如果周期比不满足规范的要求, 设计人员需要增加周边构件的刚度,降低结构中间构件的刚度, 以增大结构的整体抗扭刚度。
4、刚重比。主要为了控制结构的稳定性, 以免结构产生滑移和倾覆。研究表明, 高层建筑结构仅在竖向重力作用下产生整体失稳的可能性很小。高层建筑结构的稳定设计主要是控制在风荷载或者水平地震作用下, 重力荷载产生的二阶效应不至于过大, 引起结构的失稳倒塌。
5、层间位移角。是按弹性方法计算的楼层层间最大位移与层高之比。目的是控制结构的侧向刚度。剪力墙结构的层间位移角限值是1 /1000。应调整剪力墙的数量, 使其层间位移角处于这个限值附近。结构刚度不能过大, 过大会使地震力增大, 也不经济。
三、结构构件计算与配筋
在对结构的整体合理性进行计算判断和调整之后, 主要工作就是对结构构件的截面优化、内力和配筋计算。
1、剪力墙墙身。剪力墙中存在竖向及水平向分布钢筋, 应通过计算和构造要求确定其用量。应分别验算正截面抗弯承载力及斜截面抗剪承载力。水平筋与竖向筋对抵抗斜裂缝都有作用, 它们各自作用的大小与剪跨比、斜裂缝倾斜角度有关。但在设计中, 通常将二者的功能分开: 竖向分布筋抵抗弯矩, 而水平分布筋抵抗剪力。因此斜截面抗剪承载力计算的主要目的, 是在一定的截面尺寸及混凝土等级下, 计算水平分布筋的面积。剪力墙分布钢筋的配置应该满足以下要求: 竖向和水平分布筋的配筋率, 一、二、三級抗震设计均不应小于0.25%, 四级抗震设计和非抗震设计时不应小于0.20%; 一般剪力墙竖向和水平分布筋间距均不应大于300mm, 分布筋直径不应小于8mm。这是高规中的黑体字部分, 应该特别重视。
2、边缘构件。在矩形墙两端增加边缘构件不但能较显著的提高墙体的延性, 还能防止剪力墙发生水平剪切滑动, 提高抗剪能力。边缘构件根据结构形式和受力状况分为约束边缘构件和构造边缘构件两类, 其约束能力与边缘构件的配筋范围、配箍量及配筋形式有关。约束边缘构件范围的阴影部分为体积配箍率Kv 区域, 阴影之外部分为体积配箍率Kv /2区域。阴影部分外围应该采用封闭箍筋, 因为封闭箍筋越多对混凝土的约束能力越强, 承压、抗剪能力提高越多。非阴影部分为边缘构件和剪力墙之间共有的过渡部分, 这部分的纵筋为剪力墙的竖向分布筋, 但间距应与拉筋配合且不小于剪力墙竖向分布筋间距, 水平筋就是剪力墙的水平分布筋。构造边缘构件纵向钢筋应满足受弯承载力要求且满足根据阴影部分面积计算得出的最小纵筋量的要求。箍筋应该满足构造规定。
3、连梁。在墙体和连梁的协同工作中, 剪力墙应该有足够的刚度和强度。在正常的使用荷载和风荷载作用下, 连梁起着联系墙肢、且增大剪力墙刚度的作用, 承受弯矩和剪力, 结构处于弹性工作状态, 连梁不应该产生塑性铰。抗震时, 连梁是抗震的第一道防线, 剪力墙是第二道防线。连梁由于跨高比小, 与之相连的墙肢刚度大等原因, 在水平力作用下的内力往往很大, 连梁屈服时表现为梁端出现裂缝, 刚度减弱, 内力重分布。因此在开始进行结构整体计算时, 需要对连梁刚度进行折减。但规范规定折减系数不宜小于0.50, 一般设计在0.5- 1.0之间取值。进行刚度折减后仍然出现正截面受弯承载力和斜截面受剪承载力不够的情况, 可以减小连梁的高度, 使整体刚度减小, 从而减少地震作用的影响。此外增加剪力墙的厚度及提高混凝土的等级也有可能使连梁不超限。
结束语
高层建筑剪力墙体系机构的设计质量，将会直接影响到建筑的安全性。因此在今后的施工中，设计人员应该重视相应的设计工作，最大限度降低施工中不安全因素出现的概率，保证建筑的质量水平，为我国今后的建筑行业发展提供更好的技术支持。
参考文献
[1] 王林,于海,朱金声. 剪力墙结构设计中几个问题探讨[J]. 科技创新导报. 2009(05)：54—37
[2] 胡桂燕. 高层剪力墙结构设计中几个问题的探讨[J]. 中国高新技术企业. 2008(10)：27—59
[3] 陈晓丰,赵声瑜. 一种剪力墙结构设计[J]. 中国高新技术企业. 2009(15)：13—36
[4] 韦静. 浅析剪力墙结构设计[J]. 中国城市经济. 2011(12)：84—57
关键词：高层建筑 剪力墙结构 要点
中图分类号：TU208文献标识码： A
前言
剪力墙结构在现代高层、超高层建筑中有着广泛的应用。一方面，剪力墙结构具有较大的抗侧刚度，能够很好的承受各类荷载并控制结构的水平力；另一方面，采用剪力墙结构还具有增加建筑物内部空间、减少用钢量等优点。
一、结构布置要点
剪力墙结构中竖向荷载、水平地震作用和风荷载都由钢筋混凝土剪力墙承受。所以剪力墙的布置应在满足建筑使用要求的前提下, 沿结构的主要轴线, 尽可能地规则拉通对称布置。既要考虑便于梁板等承担竖向荷载的构件的布置, 又要尽量使结构刚度对称, 减少偏心, 从而减少扭转效应的影响。同时, 应注意以下几个问题:
1、避免出现独立小墙肢
《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3- 2002) 中规定: “矩形截面独立墙肢的截面高度hw 不宜小于截面宽度bw 的5 倍。”在实际设计中, 独立小墙肢基本上可以通过合并洞口等方法消除, 或合理布置剪力墙, 使小墙肢成为墙体翼缘, 其受力状态明显好于独立小墙肢, 仅适当加强配筋即可。
2、谨慎采用短肢剪力墙结构
由于短肢剪力墙结构抗震性能较差, 地震区应用经验不多, 为安全起见, 《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3- 2002)对这种结构作了较严格的规定。短肢剪力墙并不具有经济性。
3、单片剪力墙刚度不宜过大
剪力墙结构应具有足够的延性, 细高的剪力墙(高宽比大于2)容易设计成弯曲破坏的延性剪力墙, 从而可避免脆性的剪切破坏。此外, 单片剪力墙刚度过大, 承担的水平力份额较大, 一旦破坏就会出现严重后果。同时, 墙段长度较小时, 墙体的配筋能够充分的发挥作用, 因此, 墙段的长度不宜大于8m。设计中, 可通过开设结构洞口将长墙分成长度较小的若干段, 洞口、连梁宜采用弱连梁(跨高比宜大于6)。
4、剪力墙结构整体刚度不宜过大
剪力墙结构刚度很大, 一般来说周期较短, 相应地震力较大,如果剪力墙结构刚度过大, 不仅材料消耗多, 不经济, 而且, 地震力过大会使部分墙肢和连梁超筋或截面不符合抗剪要求, 造成截面设计困难。一般宜控制剪力墙结构的刚度能满足位移限值要求即可。设计中, 可通过减薄墙厚、降低混凝土强度、加大洞口、减小连梁高度、窗下墙改用填充墙等措施来调整其刚度。
二、结构参数的控制要点
1、位移比。位移比是指楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与本楼层平均值的比值。主要为限制结构布置的不规则性, 以避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。规范中的位移比限制是针对刚性楼板假定作出的, 要求在考虑偶然偏心影响的地震作用下, 楼层竖向构件的位移比对于A级高度的高层建筑不宜大于1.2, 不应大于1.5, 对于B级高度、混合结构高层及复杂高层不宜大于1.2, 不应大于1.4。
2、侧向刚度比。主要为了控制结构的竖向规则性。5高层建筑混凝土结构技术规程6 ( 后称高规)中要求: 包括某楼层抗侧刚度小于其上一层的70% 或者小于其相邻三层侧向刚度平均值的80%, 或结构楼层层间抗侧力结构的承载力小于其上一层的80%, 或某楼层竖向抗侧力构件不连续, 其薄弱层对应于地震作用标准值的地震剪力应乘以1.15的增大系数。
3、周期比。主要是为控制结构扭转效应, 减少扭转对结构产生的不利影响。关键是限制结构扭转为主的第一自振周期T t与平动为主的第一自振周期T1之比。当二者接近时,由于振动耦联的影响, 结构的扭转效应明显增大。规范中要求周期比对于A 级高度高层建筑不应大于0.9, B 级高度高层建筑, 混合高层建筑及复杂高层建筑不应大于0.85。如果周期比不满足规范的要求, 设计人员需要增加周边构件的刚度,降低结构中间构件的刚度, 以增大结构的整体抗扭刚度。
4、刚重比。主要为了控制结构的稳定性, 以免结构产生滑移和倾覆。研究表明, 高层建筑结构仅在竖向重力作用下产生整体失稳的可能性很小。高层建筑结构的稳定设计主要是控制在风荷载或者水平地震作用下, 重力荷载产生的二阶效应不至于过大, 引起结构的失稳倒塌。
5、层间位移角。是按弹性方法计算的楼层层间最大位移与层高之比。目的是控制结构的侧向刚度。剪力墙结构的层间位移角限值是1 /1000。应调整剪力墙的数量, 使其层间位移角处于这个限值附近。结构刚度不能过大, 过大会使地震力增大, 也不经济。
三、结构构件计算与配筋
在对结构的整体合理性进行计算判断和调整之后, 主要工作就是对结构构件的截面优化、内力和配筋计算。
1、剪力墙墙身。剪力墙中存在竖向及水平向分布钢筋, 应通过计算和构造要求确定其用量。应分别验算正截面抗弯承载力及斜截面抗剪承载力。水平筋与竖向筋对抵抗斜裂缝都有作用, 它们各自作用的大小与剪跨比、斜裂缝倾斜角度有关。但在设计中, 通常将二者的功能分开: 竖向分布筋抵抗弯矩, 而水平分布筋抵抗剪力。因此斜截面抗剪承载力计算的主要目的, 是在一定的截面尺寸及混凝土等级下, 计算水平分布筋的面积。剪力墙分布钢筋的配置应该满足以下要求: 竖向和水平分布筋的配筋率, 一、二、三級抗震设计均不应小于0.25%, 四级抗震设计和非抗震设计时不应小于0.20%; 一般剪力墙竖向和水平分布筋间距均不应大于300mm, 分布筋直径不应小于8mm。这是高规中的黑体字部分, 应该特别重视。
2、边缘构件。在矩形墙两端增加边缘构件不但能较显著的提高墙体的延性, 还能防止剪力墙发生水平剪切滑动, 提高抗剪能力。边缘构件根据结构形式和受力状况分为约束边缘构件和构造边缘构件两类, 其约束能力与边缘构件的配筋范围、配箍量及配筋形式有关。约束边缘构件范围的阴影部分为体积配箍率Kv 区域, 阴影之外部分为体积配箍率Kv /2区域。阴影部分外围应该采用封闭箍筋, 因为封闭箍筋越多对混凝土的约束能力越强, 承压、抗剪能力提高越多。非阴影部分为边缘构件和剪力墙之间共有的过渡部分, 这部分的纵筋为剪力墙的竖向分布筋, 但间距应与拉筋配合且不小于剪力墙竖向分布筋间距, 水平筋就是剪力墙的水平分布筋。构造边缘构件纵向钢筋应满足受弯承载力要求且满足根据阴影部分面积计算得出的最小纵筋量的要求。箍筋应该满足构造规定。
3、连梁。在墙体和连梁的协同工作中, 剪力墙应该有足够的刚度和强度。在正常的使用荷载和风荷载作用下, 连梁起着联系墙肢、且增大剪力墙刚度的作用, 承受弯矩和剪力, 结构处于弹性工作状态, 连梁不应该产生塑性铰。抗震时, 连梁是抗震的第一道防线, 剪力墙是第二道防线。连梁由于跨高比小, 与之相连的墙肢刚度大等原因, 在水平力作用下的内力往往很大, 连梁屈服时表现为梁端出现裂缝, 刚度减弱, 内力重分布。因此在开始进行结构整体计算时, 需要对连梁刚度进行折减。但规范规定折减系数不宜小于0.50, 一般设计在0.5- 1.0之间取值。进行刚度折减后仍然出现正截面受弯承载力和斜截面受剪承载力不够的情况, 可以减小连梁的高度, 使整体刚度减小, 从而减少地震作用的影响。此外增加剪力墙的厚度及提高混凝土的等级也有可能使连梁不超限。
结束语
高层建筑剪力墙体系机构的设计质量，将会直接影响到建筑的安全性。因此在今后的施工中，设计人员应该重视相应的设计工作，最大限度降低施工中不安全因素出现的概率，保证建筑的质量水平，为我国今后的建筑行业发展提供更好的技术支持。
参考文献
[1] 王林,于海,朱金声. 剪力墙结构设计中几个问题探讨[J]. 科技创新导报. 2009(05)：54—37
[2] 胡桂燕. 高层剪力墙结构设计中几个问题的探讨[J]. 中国高新技术企业. 2008(10)：27—59
[3] 陈晓丰,赵声瑜. 一种剪力墙结构设计[J]. 中国高新技术企业. 2009(15)：13—36
[4] 韦静. 浅析剪力墙结构设计[J]. 中国城市经济. 2011(12)：84—57