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摘要：对于12～16层的小高层建筑结构，采用既可以保证结构的刚度、位移，又可以使室内空间方正合理，所以剪力墙结构得以普遍应用。本文对剪力墙结构设计谈一些体会。
关键词：剪力墙；结构；设计
对于12～16层的小高层建筑结构，采用既可以保证结构的刚度、位移，又可以使室内空间方正合理，所以剪力墙结构得以普遍应用。剪力墙的受力、变形特征，类似以框剪结构。但比框架结构的刚度分配、内力分配更合理，结构的变形协调导致的竖向位移差别，也比框剪结构小，则传基础荷载更均匀、合理。本文对剪力墙结构设计谈一些体会。
一、剪力墙结构的基本含义 （一）剪力墙结构的定义：
1．剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5～8的剪力墙。
2．高层建筑结构不应采用全部剪力墙的剪力墙结构。
3．剪力墙较多时，应布置筒体（或一般剪力墙），形成剪力墙与筒体（或一般剪力墙）共同抵抗水平力的剪力墙结构。 （二）剪力墙结构的必要条件
抗震设计时，墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不大于结构总底部地震倾覆力矩的50%。 （三）剪力墙结构的下限
当墙较少时，如墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩小于结构总底部地震倾覆力矩的15%～40%，则可以按普通剪力墙结构设计。下限规范没有规定，用户可以灵活掌握。如果在剪力墙结构中，只有个别小墙肢，不应看成剪力墙结构而应作为一般剪力墙结构处理。
二、剪力墙结构的设计（一）剪力墙的截面尺寸
剪力墙的截面尺寸按下列要求确定：
1．按一、二级抗震等级设计的剪力墙的截面厚度，底部加强部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/16，且不应小于200 mm；其他部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/20，且不应小于160 mm。当为无端柱或翼墙的一字形剪力墙时，其底部加强部位截面厚度不应小于层高的1/12；其他部位不应小于层高的1/15，且不应小于180 mm。
2．按三、四级抗震等级设计的剪力墙的截面厚度，底部加强部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/20，且不应小于160 mm；其他部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/25，且不应小于160 mm。
3．非抗震设计的剪力墙，其截面厚度不应小于层高或剪力墙无支长度的1/25，且不应小于160 mm。
4．剪力墙井筒中，分隔电梯井或管道井的墙肢截面厚度可适当减小，但不宜小于160 mm。
5．墙肢高厚比为5～8 的短肢剪力墙厚度不应小于200 mm。
（二）剪力墙布置 剪力墙布置除应符合规程中有关规定外，在本文中进一步对剪力墙的布置提出了一些要求，其中关于短肢剪力墙和梁、墙布置都属于本文着重阐述的内容。 1．双向布置剪力墙及抗侧刚度。高层建筑应有较好的空间工作性能，剪力墙结构应双向布置，形成空间结构。在抗震结构中，应避免单向布置剪力墙，并宜使两个方向抗侧刚度接近，即两个方向的自振周期宜相近。 另一方面，剪力墙的抗侧刚度及承载力均较大，为充分利用剪力墙的能力，减轻结构重量，增大剪力墙结构的可利用空间，墙不宜布置太密，使结构具有适宜的侧向刚度。 2．竖向刚度均匀。剪力墙布置对结构的抗侧刚度有很大影响，剪力墙沿高度不连续，将造成结构沿高度刚度突变，所以应要求剪力墙自上到下连续布置。允许沿高度改变墙厚和混凝土等级，或减少部分墙肢，使抗侧刚度沿高度逐渐减小。 3．墙肢高宽比。细高的剪力墙容易设计成受弯曲破坏的延性剪力墙，从而可避免脆性的剪切破坏。在抗震结构中剪力墙结构应具有延性，设计中墙的高宽应比不应小于2。当墙的长度很长时，为了满足每个墙段高宽比大于2的要求，可通过开设洞口将长墙分成长度较小、较均匀的独立墙段，每个独立墙段可以是整体墙，也可以是联肢墙。 4．剪力墙洞口的布置。剪力墙洞口的布置，会极大地影响剪力墙的力学性能。因此，布置剪力墙洞口时应满足以下3方面要求。 （1）规则开洞，洞口成列、成排布置，能形成明确的墙肢和连梁，应力分布比较规则，又与当前普遍应用程序的计算简图较为符合，设计结果安全可靠。同时宜避免使墙肢刚度相差悬殊的洞口设置； （2）对于错洞剪力墙和叠合错洞墙，二者都是不规则开洞的剪力墙，其应力分布复杂，容易造成剪力墙的薄弱部位，常规计算无法获得其实际内力，构造比较复杂。其主要特点是洞口错开距离很小，甚至叠合，不仅墙肢不规则，洞口之间形成薄弱部位，叠合错洞墙比错洞口墙更为不利，设计时应尽量避免。当无法避免叠合错洞布置时，应按有限元方法仔细计算分析并在洞口周边采取加强措施或采用其他轻质材料填充将叠合洞口转化为规则洞口的剪力墙或框架结构； （3）具有不规则洞口剪力墙的内力和位移计算应符合规程的有关规定。目前除了平面有限元方法外，尚没有更好的简化方法计算。对结构整体计算中采用了杆系、薄壁杆系模型或对洞口作了简化处理的其他有限元模型时，应对不规则开洞墙的计算结果进行分析、判断，必要时应进行补充计算和校核。 5．剪力墙和加强部位。 （1）抗震结构中出现塑性铰的部位应作为加强部位。而剪力墙顶层、楼电梯间墙等不宜作为加强部位，这样作的目的是对塑性铰部位可以有更明确的措施，与由于温度、收缩等需要的加强措施区别； （2）剪力墙塑性铰出现后，剪力墙应具有足够的延性，剪力墙底部塑性铰出现都有一定范围，该范围内应当加强构造措施，提高其抗剪切破坏的能力； （3）为安全起见，设计剪力墙时将加强部位范围适当扩大，抗震设计时，一般剪力墙结构底部加强部位的高度可取墙肢总高度的1/8和底部两层二者的较大值，当剪力墙高度超过150m时，为避免加强区太高，其底部加强部位的高度可取墻肢总高度的1/10。
（三）剪力墙的分类与受力特点
1．关于剪力墙结构的基本假定。剪力墙结构体系建筑是由一系列纵向和横向剪力墙及楼盖组成的空间结构。剪力墙承受竖向和水平荷载作用。在竖向荷载作用下，各片剪力墙受力分析比较简单，但在水平荷载作用下则不同，为简化计算，作以下基本假定：
（1）各片剪力墙在其自身平面内刚度极大，而在其平面外刚度极小，可以忽略不计。这样就可以把纵横向剪力墙布置的空间结构简化为平面结构处理。同时，也可考虑纵横墙的共同工作，即纵墙的一部分可以作为横墙的有效翼缘，横墙的一部分也可以作为纵墙的有效翼缘。在承载力计算中，剪力墙的翼缘宽度可取剪力墙的间距、门窗洞间翼墙的宽度、剪力墙厚度加两侧各6倍翼墙厚度、剪力墙墙肢总高度的1/10 四者中的最小值。
（2）楼盖在其自身平面内的抗弯刚度视为“无限大”，因此在水平荷载作用下，只产生刚体运动，并把水平荷载分配给各片剪力墙，而不发生水平方向的弯曲变形；而在平面外，由于刚度很小，可忽略不计。按此假定，当结构不发生扭转时，各片剪力墙在水平荷载作用下侧向位移相等。这样，整个建筑上所承受的水平荷载就可以按各片剪力墙的等效抗弯刚度的大小，按比例进行分配，然后进行内力及位移计算。·
（3）等效抗弯刚度是指按剪力墙顶点侧移相等的原则考虑弯曲变形和剪切变形后，折算为竖向悬臂受弯构件的抗弯刚度。对于沿竖向刚度比较均匀的结构，各片剪力墙可以按下式之一计算其等效刚度。均布荷载、倒三角形荷载、顶点集中荷载。
2．剪力墙的分类和受力特点。
（1）一般剪力墙的墙肢截面高度u h 和厚度u b 之比大于8；短肢剪力墙的墙肢高度与厚度之比为5～8。
（2）一般剪力墙根据墙面开洞大小情况，分为整截面墙、整体小开口墙、联肢墙和壁式框架。它们的受力特点如下：
1）整截面剪力墙。当剪力墙不开门窗洞口或虽开有洞口，但洞口很小时（洞口面积不大于剪力墙总面积的15%、且洞口净矩及洞口至墙边的净距都大于洞口长边的尺寸），把其看作整截面墙。此时，它们的受力性能犹如一悬臂杆，截面上的正应力仍符合平截面假定，在墙肢的高度上，弯矩图既不发生突变也不出现反弯点，变形曲线以弯曲型为主。
2）整体小开洞墙。当剪力墙上的门窗洞口沿竖向成列布置，洞口的总面积虽超过了墙总面积的15%，但总的说来洞口仍很小时，称其为整体小开口墙。它在荷载作用下，在连梁处的墙肢弯矩图有突变，但在整个墙肢的高度上，没有或仅在个别楼层中才出现反弯点，整个剪力墙的变形曲线仍以弯曲型为主。
3）双肢剪力墙。此类剪力墙上的门窗洞口尺寸较大，则整个剪力墙截面上的正应力已不再成直线分布，其变形曲线与整体小开口墙相近，仍以弯曲变形为主。
4）壁式框架。当剪力墙具有多列洞口，且洞口尺寸较大，特别是当洞口上连梁的线刚度大于或接近于洞口侧边墙肢的线刚度时，则剪力墙的受力性能已接近于框架，宜按带刚域的“壁式框架”进行设计所示）。此时，在水平荷载作用下其柱的弯矩图不仅在楼层处有突变，而且在大多数的楼层中都出现反弯点，整个框架的变形以剪切型为主。
（3）剪力墙的墙肢截面高度w h 与厚度w b 之比小于5时，称为小墙肢。其中，当之比 ≤3时，宜按框架柱进行截面设计。
三、结语
小高层住宅剪力墙结构设计呈多样化的趋势，如何做到安全、经济需要结构设计人员通过充分运用概念设计把握结构的整体性，科学布置剪力墙，合理设计结构分析，合理的结构方案和重视设计计算方法以及相应的构造措施，为我国的基础设施建设添砖加瓦。
参考资料 [1]吕文，钱稼茹．基于位移延性剪力墙抗震设计．建筑结构学报，1999，（3）．[2]高层建筑混凝土结构技术规程．中国建筑工业出版社．[3]袁端眼，虞焕新．工程结构．同济大学出版社． [4]全国民用建筑工程设计技术措施·结构．中国建筑标准设计研究院．
关键词：剪力墙；结构；设计
对于12～16层的小高层建筑结构，采用既可以保证结构的刚度、位移，又可以使室内空间方正合理，所以剪力墙结构得以普遍应用。剪力墙的受力、变形特征，类似以框剪结构。但比框架结构的刚度分配、内力分配更合理，结构的变形协调导致的竖向位移差别，也比框剪结构小，则传基础荷载更均匀、合理。本文对剪力墙结构设计谈一些体会。
一、剪力墙结构的基本含义 （一）剪力墙结构的定义：
1．剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5～8的剪力墙。
2．高层建筑结构不应采用全部剪力墙的剪力墙结构。
3．剪力墙较多时，应布置筒体（或一般剪力墙），形成剪力墙与筒体（或一般剪力墙）共同抵抗水平力的剪力墙结构。 （二）剪力墙结构的必要条件
抗震设计时，墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不大于结构总底部地震倾覆力矩的50%。 （三）剪力墙结构的下限
当墙较少时，如墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩小于结构总底部地震倾覆力矩的15%～40%，则可以按普通剪力墙结构设计。下限规范没有规定，用户可以灵活掌握。如果在剪力墙结构中，只有个别小墙肢，不应看成剪力墙结构而应作为一般剪力墙结构处理。
二、剪力墙结构的设计（一）剪力墙的截面尺寸
剪力墙的截面尺寸按下列要求确定：
1．按一、二级抗震等级设计的剪力墙的截面厚度，底部加强部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/16，且不应小于200 mm；其他部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/20，且不应小于160 mm。当为无端柱或翼墙的一字形剪力墙时，其底部加强部位截面厚度不应小于层高的1/12；其他部位不应小于层高的1/15，且不应小于180 mm。
2．按三、四级抗震等级设计的剪力墙的截面厚度，底部加强部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/20，且不应小于160 mm；其他部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/25，且不应小于160 mm。
3．非抗震设计的剪力墙，其截面厚度不应小于层高或剪力墙无支长度的1/25，且不应小于160 mm。
4．剪力墙井筒中，分隔电梯井或管道井的墙肢截面厚度可适当减小，但不宜小于160 mm。
5．墙肢高厚比为5～8 的短肢剪力墙厚度不应小于200 mm。
（二）剪力墙布置 剪力墙布置除应符合规程中有关规定外，在本文中进一步对剪力墙的布置提出了一些要求，其中关于短肢剪力墙和梁、墙布置都属于本文着重阐述的内容。 1．双向布置剪力墙及抗侧刚度。高层建筑应有较好的空间工作性能，剪力墙结构应双向布置，形成空间结构。在抗震结构中，应避免单向布置剪力墙，并宜使两个方向抗侧刚度接近，即两个方向的自振周期宜相近。 另一方面，剪力墙的抗侧刚度及承载力均较大，为充分利用剪力墙的能力，减轻结构重量，增大剪力墙结构的可利用空间，墙不宜布置太密，使结构具有适宜的侧向刚度。 2．竖向刚度均匀。剪力墙布置对结构的抗侧刚度有很大影响，剪力墙沿高度不连续，将造成结构沿高度刚度突变，所以应要求剪力墙自上到下连续布置。允许沿高度改变墙厚和混凝土等级，或减少部分墙肢，使抗侧刚度沿高度逐渐减小。 3．墙肢高宽比。细高的剪力墙容易设计成受弯曲破坏的延性剪力墙，从而可避免脆性的剪切破坏。在抗震结构中剪力墙结构应具有延性，设计中墙的高宽应比不应小于2。当墙的长度很长时，为了满足每个墙段高宽比大于2的要求，可通过开设洞口将长墙分成长度较小、较均匀的独立墙段，每个独立墙段可以是整体墙，也可以是联肢墙。 4．剪力墙洞口的布置。剪力墙洞口的布置，会极大地影响剪力墙的力学性能。因此，布置剪力墙洞口时应满足以下3方面要求。 （1）规则开洞，洞口成列、成排布置，能形成明确的墙肢和连梁，应力分布比较规则，又与当前普遍应用程序的计算简图较为符合，设计结果安全可靠。同时宜避免使墙肢刚度相差悬殊的洞口设置； （2）对于错洞剪力墙和叠合错洞墙，二者都是不规则开洞的剪力墙，其应力分布复杂，容易造成剪力墙的薄弱部位，常规计算无法获得其实际内力，构造比较复杂。其主要特点是洞口错开距离很小，甚至叠合，不仅墙肢不规则，洞口之间形成薄弱部位，叠合错洞墙比错洞口墙更为不利，设计时应尽量避免。当无法避免叠合错洞布置时，应按有限元方法仔细计算分析并在洞口周边采取加强措施或采用其他轻质材料填充将叠合洞口转化为规则洞口的剪力墙或框架结构； （3）具有不规则洞口剪力墙的内力和位移计算应符合规程的有关规定。目前除了平面有限元方法外，尚没有更好的简化方法计算。对结构整体计算中采用了杆系、薄壁杆系模型或对洞口作了简化处理的其他有限元模型时，应对不规则开洞墙的计算结果进行分析、判断，必要时应进行补充计算和校核。 5．剪力墙和加强部位。 （1）抗震结构中出现塑性铰的部位应作为加强部位。而剪力墙顶层、楼电梯间墙等不宜作为加强部位，这样作的目的是对塑性铰部位可以有更明确的措施，与由于温度、收缩等需要的加强措施区别； （2）剪力墙塑性铰出现后，剪力墙应具有足够的延性，剪力墙底部塑性铰出现都有一定范围，该范围内应当加强构造措施，提高其抗剪切破坏的能力； （3）为安全起见，设计剪力墙时将加强部位范围适当扩大，抗震设计时，一般剪力墙结构底部加强部位的高度可取墙肢总高度的1/8和底部两层二者的较大值，当剪力墙高度超过150m时，为避免加强区太高，其底部加强部位的高度可取墻肢总高度的1/10。
（三）剪力墙的分类与受力特点
1．关于剪力墙结构的基本假定。剪力墙结构体系建筑是由一系列纵向和横向剪力墙及楼盖组成的空间结构。剪力墙承受竖向和水平荷载作用。在竖向荷载作用下，各片剪力墙受力分析比较简单，但在水平荷载作用下则不同，为简化计算，作以下基本假定：
（1）各片剪力墙在其自身平面内刚度极大，而在其平面外刚度极小，可以忽略不计。这样就可以把纵横向剪力墙布置的空间结构简化为平面结构处理。同时，也可考虑纵横墙的共同工作，即纵墙的一部分可以作为横墙的有效翼缘，横墙的一部分也可以作为纵墙的有效翼缘。在承载力计算中，剪力墙的翼缘宽度可取剪力墙的间距、门窗洞间翼墙的宽度、剪力墙厚度加两侧各6倍翼墙厚度、剪力墙墙肢总高度的1/10 四者中的最小值。
（2）楼盖在其自身平面内的抗弯刚度视为“无限大”，因此在水平荷载作用下，只产生刚体运动，并把水平荷载分配给各片剪力墙，而不发生水平方向的弯曲变形；而在平面外，由于刚度很小，可忽略不计。按此假定，当结构不发生扭转时，各片剪力墙在水平荷载作用下侧向位移相等。这样，整个建筑上所承受的水平荷载就可以按各片剪力墙的等效抗弯刚度的大小，按比例进行分配，然后进行内力及位移计算。·
（3）等效抗弯刚度是指按剪力墙顶点侧移相等的原则考虑弯曲变形和剪切变形后，折算为竖向悬臂受弯构件的抗弯刚度。对于沿竖向刚度比较均匀的结构，各片剪力墙可以按下式之一计算其等效刚度。均布荷载、倒三角形荷载、顶点集中荷载。
2．剪力墙的分类和受力特点。
（1）一般剪力墙的墙肢截面高度u h 和厚度u b 之比大于8；短肢剪力墙的墙肢高度与厚度之比为5～8。
（2）一般剪力墙根据墙面开洞大小情况，分为整截面墙、整体小开口墙、联肢墙和壁式框架。它们的受力特点如下：
1）整截面剪力墙。当剪力墙不开门窗洞口或虽开有洞口，但洞口很小时（洞口面积不大于剪力墙总面积的15%、且洞口净矩及洞口至墙边的净距都大于洞口长边的尺寸），把其看作整截面墙。此时，它们的受力性能犹如一悬臂杆，截面上的正应力仍符合平截面假定，在墙肢的高度上，弯矩图既不发生突变也不出现反弯点，变形曲线以弯曲型为主。
2）整体小开洞墙。当剪力墙上的门窗洞口沿竖向成列布置，洞口的总面积虽超过了墙总面积的15%，但总的说来洞口仍很小时，称其为整体小开口墙。它在荷载作用下，在连梁处的墙肢弯矩图有突变，但在整个墙肢的高度上，没有或仅在个别楼层中才出现反弯点，整个剪力墙的变形曲线仍以弯曲型为主。
3）双肢剪力墙。此类剪力墙上的门窗洞口尺寸较大，则整个剪力墙截面上的正应力已不再成直线分布，其变形曲线与整体小开口墙相近，仍以弯曲变形为主。
4）壁式框架。当剪力墙具有多列洞口，且洞口尺寸较大，特别是当洞口上连梁的线刚度大于或接近于洞口侧边墙肢的线刚度时，则剪力墙的受力性能已接近于框架，宜按带刚域的“壁式框架”进行设计所示）。此时，在水平荷载作用下其柱的弯矩图不仅在楼层处有突变，而且在大多数的楼层中都出现反弯点，整个框架的变形以剪切型为主。
（3）剪力墙的墙肢截面高度w h 与厚度w b 之比小于5时，称为小墙肢。其中，当之比 ≤3时，宜按框架柱进行截面设计。
三、结语
小高层住宅剪力墙结构设计呈多样化的趋势，如何做到安全、经济需要结构设计人员通过充分运用概念设计把握结构的整体性，科学布置剪力墙，合理设计结构分析，合理的结构方案和重视设计计算方法以及相应的构造措施，为我国的基础设施建设添砖加瓦。
参考资料 [1]吕文，钱稼茹．基于位移延性剪力墙抗震设计．建筑结构学报，1999，（3）．[2]高层建筑混凝土结构技术规程．中国建筑工业出版社．[3]袁端眼，虞焕新．工程结构．同济大学出版社． [4]全国民用建筑工程设计技术措施·结构．中国建筑标准设计研究院．