浅谈高层剪力墙结构设计中的若干问题

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发布时间：2012-05-05 18:02:06 更新时间：2012-05-05 18:47:04

摘要：剪力墙结构作为高层建筑中的主要结构形式，被广泛运用于现代高层建筑。但目前结构设计规范中，对剪力墙结构设计中的一些细节问题并没有明确的规定，设计人员不易把握。笔者结合结构设计的实践，对剪力墙的平面布置，墙肢与平面外楼面梁的连接，楼面主梁与连梁的连接，剪力墙厚度的合理取值，剪力墙角窗的处理及连梁超限等问题，提出了一些自己的看法，并进行了深入的探讨。
关键词：结构设计；高层；剪力墙；平面布置；连梁；墙厚；角窗

剪力墙结构由于其不但具有良好的受力性能，而且还能很好地满足建筑功能的实现，因此其在现代高层住宅中得到了非常广泛的应用。本人在从事结构设计的实践中，参加了不少高层剪力墙结构的设计工作，有了自己的一点心得体会，现就剪力墙设计工作中经常遇到的一些问题，本着不断改进自身的设计水平的愿望，浅谈一下自己的一些看法。

剪力墙的平面布置

剪力墙结构中的剪力墙布置应遵从以下几条原则：
1. 剪力墙结构中全部竖向力和水平力均由剪力墙承受，这就必然要求剪力墙结构应具有良好的空间工作性能，墙体应双向或多向布置，各榀剪力墙也应尽量拉通对直，形成对承受竖向荷载有利、抗侧力刚度大的平面和竖向布局。在抗震结构中，应避免仅单向有墙的结构布置形式，并宜使结构在两个方向上的抗侧刚度接近，而衡量两个方向上的刚度是否接近，可以参考电算结果中两个方向的第一振型的周期和楼层层间位移与层高之比是否接近。墙肢截面也宜简单、规则。
2. 剪力墙的抗侧刚度和承载力均较大，为了充分利用剪力墙的承载力和刚度，剪力墙宜采用大开间布置，间距要尽可能做大些，这不但可以使建筑功能具有较大的使用空间，也可减轻结构自身重量，产生较好的经济效益。剪力墙应均匀、分散布置，使结构具有适宜的抗侧刚度即可。
3. 剪力墙沿竖向应贯通建筑物全高，避免在竖向出现结构刚度突变，但根据结构受力情况，可以沿高度改变墙厚和混凝土等级，但宜错开楼层，使结构抗侧刚度逐渐减小，避免各层刚度突变，造成应力集中。
4. 抗震设计的剪力墙应设计成弯曲破坏的延性剪力墙，而高宽比大于2的细高剪力墙容易实现这一要求。因此，当剪力墙较长时，可以通过开设洞口，将其分成长度较短、较均匀的独立墙段，每个墙段满足高宽比大于2，而分隔墙段的洞口连梁宜采用约束弯矩较小的弱连梁（其跨高比宜大于6）连接。此外，墙段长度较小时，受弯产生的裂缝宽度也较小，墙体的配筋能够充分地发挥作用。剪力墙段的长度不宜大于8m，当墙肢长度超过8m时，应采用施工时墙上留洞，完工时砌填充墙的结构洞方法，把长墙肢分成短墙肢，或仅在计算简图开洞处理。

剪力墙墙肢与平面外方向的楼面梁连接

剪力墙结构在平面内具有非常好的刚度和承载能力，但是平面外则相对很弱，所以要尽量避免与墙体垂直方向的弯矩。但当剪力墙和平面外方向的梁连接时会产生墙肢平面外弯曲，而目前常用的结构软件并不会验算墙肢平面外的刚度和承载力，容易造成较大的安全隐患。
楼面大梁与剪力墙墙肢平面垂直相交或斜向相交时，较大的梁端弯矩对墙肢平面外产生不利弯矩，而当梁高大于2倍墙厚时，梁端弯矩影响墙肢平面外的安全，必须采取措施，控制剪力墙平面外弯矩。
1. 目前采取的加强剪力墙平面外刚度和承载力的主要措施：
⑴．设置梁轴线方向与梁相连的剪力墙，抵抗该墙肢平面外弯矩。
⑵．当不能设置沿梁轴线方向的剪力墙时，宜在墙与梁相交处设置扶壁柱，扶壁柱宜按计算确定截面及配筋。
⑶．当不能设置扶壁柱时，应在墙与梁相交处设置暗柱，暗柱宽度可取梁宽加两倍墙厚，并宜按计算确定配筋。
⑷．必要时，剪力墙内可设置型钢。
2. 除了增大剪力墙平面外的抗弯刚度和承载力以外，还可以采取其他一些加强措施，比较常用的就是减小梁端的弯矩：
⑴．楼面梁与剪力墙相交处可设计成铰接或半钢接。
梁与墙的连接有两种情况；
当梁与墙在同一平面内连接时，基本为刚接，梁的纵向钢筋在墙内的锚固长度同框架梁纵向钢筋在框架柱内的锚固长度。
当梁与墙不在同一平面内连接时，梁与剪力墙连接处其纵向钢筋宜用较小的直径。当楼层梁端按刚接计算时，支座上部纵向受力钢筋伸入墙对边的水平投影长度应同框架梁，不应小于0.4Lae，否则无法可靠锚固，只能按铰接或半刚接支座考虑。而能否假定梁端为铰接，也与墙、梁截面的相对刚度有关。铰接考虑时，梁端能减少对剪力墙平面外受力的不利影响。无论楼面梁与剪力墙如何连接，梁内纵向钢筋均应伸入墙内并可靠锚固。如果计算时假定楼面梁与墙相交的节点为铰接，则无法避免梁端裂缝，但应采取措施使裂缝的宽带符合规范的要求。
当楼层梁端的墙体厚度能满足支座上部纵向钢筋水平投影长0.4Lae的要求时，楼层梁端可以设计成刚接。但因为目前结构软件还不能计算剪力墙平面外的受力，故必须手算或用其他方法补充计算梁端弯矩对剪力墙平面外偏心受压的内力及配筋。
⑵．通过调幅减小梁端弯矩。
在进行调幅前，应先充分考虑到构件的刚度和内力重分布、裂缝的开展及变形能满足使用要求，梁出现裂缝后不会引起其他不利影响，此时再进行调幅，并相应增大梁跨中弯矩。通过调幅降低梁端弯矩后，梁端达到其设计弯矩会首先开裂，而墙便不会开裂。
⑶．变截面梁。
将与剪力墙相交一端的梁截面适当减小，做成变截面梁，也可相应减小梁端弯矩，减轻对剪力墙平面外受力的不利影响。
总之，就减小梁端弯矩的措施而言，各有其利弊，故结构工程师在设计过程中，应根据实际情况灵活运用，并相应采取必要的加强措施。

楼面主梁支承在剪力墙连梁上

剪力墙结构中的连梁是增大结构整体抗侧力刚度，地震作用时耗能的重要构件，其主要承受剪力，容易形成剪切破环，与剪力墙相比，其平面外的抗弯刚度和承载力均更弱，《高层建筑规程》第7.1.10条规定不宜将楼面主梁支承在剪力墙之间的连梁上。
因为，一方面连梁平面外的抗弯刚度很弱，达不到约束主梁端部的要求，连梁也没有足够的抗扭刚度去抵抗平面外的弯矩；另一方面，楼面主梁支承在连梁上，不但会造成结构传递地震作用力的不畅，而且对连梁也很不利，连梁本身剪切变形较大，容易出现斜裂缝，楼面主梁的支承，使得框架梁端的弯矩转化为连梁的扭矩，加大了连梁的面外负担，使连梁在较大的地震发生时，很难避免会产生脆性的剪切破坏。
因此应当尽量避免将楼面主梁支承在剪力墙连梁上，当不可避免时，应按简支梁校核连梁的截面承载力。1. 连梁为剪力墙结构的主要延性构件。小震弹性工作状态时，依靠其抗剪强度提供的约束弯矩使墙体具有较大的抗侧刚度，大震时依靠其屈服耗能增加墙体的变形能力，程序计算中常对连梁刚度折减，因此连梁一般不宜承担较多的竖向荷载。2. 大震连梁破坏时，不会因连梁退出工作而引发大面积的垮塌。
除了补充计算和校核外，还应采取其他一些可靠的加强措施，如在连梁内配置交叉斜筋或交叉暗撑，或采用钢板混凝土连梁，型钢混凝土连梁，等等。
当楼面次梁支承在剪力墙连梁或框架上时，次梁端部宜按铰接设计，并按规范规定，在连梁或框架梁内配置足够的纵向抗扭钢筋和箍筋。

剪力墙厚度

《高规》7.2.2条规定，当剪力墙墙厚不满足该条第１～３条要求时，在不增加墙厚的情况下，应按《高规》附录Ｄ计算墙体的稳定性。
结构工程师应当注意的是，并不是在任何情况下只要求剪力墙墙肢的截面厚度仅满足《高规》附录Ｄ的稳定计算要求就可以了，还应考虑剪力墙所处的位置及其重要性，因为墙厚的限制是为了防止因墙体平面外刚度过小，稳定性差，容易在偏心荷载作用下压屈失稳，也便于施工。
对于剪力墙结构中的一般剪力墙墙段的厚度可按稳定计算确定；但对于剪力墙底部的加强部位，对于一字形的内剪力墙、转角窗相邻外墙、一字形的外墙，由于这些部位的重要性和受力的复杂性，确定这些部位的墙肢截面厚度时，宜按高规7.2.2 条1，2，3 款的规定，尤其一字形外墙及转角窗相邻墙，仅一侧有楼板，虽楼板按简支考虑但实际存在弯矩，上下墙变厚度或施工误差也可能产生弯矩，但是墙计算只验算平面内的内力，而不考虑平面外弯矩，存在安全隐患。如按《高规》附录Ｄ稳定计算时，应将计算结果适当加大，使这些部位墙肢截面的厚度接近《高规》要求的最小厚度。

剪力墙外墙角部开设角窗

在剪力墙结构外墙角部开设角窗，必然会破坏墙体的连续性和封闭性，使地震作用无法可靠传递，给结构的抗震安全造成隐患；同时在剪力墙结构外墙角部开设角窗，也会降低结构的整体刚度，特别是削弱了抗扭刚度较大的转角墙，降低了结构整体的抗扭刚度。所以，在地震区，特别是在高烈度地震区，应尽量避免在剪力墙结构外墙角部开设角窗。
但在实际工程中，在抗震设防烈度为８度和８度以下的地震区，在剪力墙结构的外墙角部开设角窗的工程项目是比较普遍的，故结构工程师在设置角窗时必须采取必要的加强措施。
在剪力墙结构外墙角部开设角窗时，应进行专门研究，并采取下列措施：
1. 角窗洞口应上下对齐，宽度不应过大，高度也应在满足建筑功能的前提下尽可能小；连梁不宜过小。
2. 宜加强角窗窗台连梁的配筋与构造。
⑴．连梁上下配筋应予加强，上筋在墙体内应有一定的延伸长度，一般向内延伸转角窗长度的1.2～1.5倍以上，在相邻墙体内形成暗梁，若为短肢剪力墙则应延伸至内跨梁。
⑵．在连梁梁肋两侧须配置足够数量的抗扭腰筋，其规格同墙体水平分布筋，其主要抵抗因交叉而对连梁产生的扭矩以及因结构平面周边扭转应力对连梁产生的侧向弯矩，并可防止连梁因内外温差而产生的侧向裂缝。
3. 角窗洞口附近应避免采用短肢剪力墙和单片剪力墙，宜采用Ｔ形，Ｌ形，［形等截面形式的墙体，并尽量使墙体长度在2m以上，墙厚宜适当加大，不宜小于250mm。对角窗处墙体，应在满足计算结果的前提下适当加大配筋，对短肢剪力墙应按柱配筋。洞边暗柱应沿全高按约束边缘构件设置，并加强配筋。
4. 宜加强转角处楼板的配筋与构造。
⑴．由于转角处楼板没有竖向约束，只有悬挑梁的弱约束，故应将楼板厚度加大，一般应加大至150mm以上，并配置双层双向钢筋。
⑵．在楼板内剪力墙约束构件之间设置一道斜向拉结暗梁，既可加强板边约束，又可使偏心产生的扭转应力通过暗梁直接传至剪力墙，减小角部板内扭转应力。拉结暗梁宽一般取500mm，上下各设4Φ16加强钢筋，并可靠锚入墙两侧约束构件内，箍筋宜配Φ10@100。
5. 宜提高角窗两侧墙肢的抗震等级，并按提高后的抗震等级来满足轴压比限值的要求。
6. 抗震计算时应考虑扭转耦联的影响。
7. 角窗连梁计算模型输入时，应按框架梁考虑，并按双悬挑计算。

剪力墙连梁超限

剪力墙连梁对剪切变形非常敏感。《高规》对其剪力设计值控制得比较严格，因此，在抗震设计时，连梁经常会出现超限现象。究其原因，所谓超限，主要是指连梁的截面尺寸不满足《高规》第7.2.23条的要求，即剪压比超限或剪力超限。而当连梁截面不满足抗剪验算要球时，我们可采取以下一些措施：
1. 减小连梁截面高度或增加连梁的跨度。当连梁剪力设计值超过限值时，加大截面高度只会增加连梁刚度，吸引更多的剪力，反而对连梁不利。减小连梁截面高度或者加厚连梁截面宽度则比较有效，但加大连梁截面宽度受到两侧墙体厚度的限制，一般较难实现。减小连梁截面高度则相对容易实施，减少连梁截面高度后，加高的剪力墙洞口可以通过增设过梁和填充轻质墙来调整。同样，增加连梁的跨度也可以减少连梁的刚度，达到同样的目的。
2. 在连梁截面高度的中间部位设置水平缝，将一根连梁均分成上下两根小连梁，模型整体计算时，连梁高度按设缝后小连梁的高度输入，连梁宽度则按原来连梁宽度的2倍输入。两根小连梁的配筋应相同，纵向钢筋和箍筋均不应小于整体计算结果输出的配筋面积的一半。上下连梁间的水平缝可用轻质材料填充，但水平缝的位置应避开与楼板的连接部位，保障结构的整体性。
3. 对抗震设计的剪力墙连梁的弯矩和剪力进行塑性调幅，以降低其剪力设计值，但调整的幅度不宜大于20%，且必须满足强剪弱弯的要求。
在整体计算时已降低了刚度的连梁，再对其进行塑性调幅的范围应当限制或不再继续调幅。当部分连梁降低弯矩设计值后，在符合平衡条件下，按内力重分布的方法调整与其相关的剪力墙和连梁的弯矩设计值。
无论用什么方法，连梁调幅后的弯矩和剪力设计值均不应低于正常使用状态下的值，也不宜低于比设防烈度低一度的地震作用组合弯矩和剪力设计值，这主要是为了避免在正常使用条件下或较小的地震作用下，连梁出现规范不允许的裂缝，影响结构的正常使用。
4. 提高混凝土等级。混凝土等级提高后，结构的地震作用影响增加的比例远小于混凝土受剪承载力提高的比例，有可能使连梁的受剪承载力不超限。
5. 当少数超限连梁不作为次梁的支撑梁时，其破坏对结构承受竖向荷载无明显影响，可考虑在大震作用下，让该连梁退出工作，剪力墙按独立墙肢进行第二次多遇地震作用下的结构内力分析，此时若结构整体位移仍能满足规范的要求时，墙肢可按两次计算所得的较大内力进行配筋计算。
超限连梁的箍筋可按截面受剪限制条件（剪压比）计算确定，其纵向钢筋则按斜截面受剪承载力反算求得。
连梁超限时，应首先采取第1～4条措施，当第1～4条措施不能解决问题时，可采用第5条措施，即假定超限连梁在大震下破坏，不能再继续约束墙肢，此时可考虑超限连梁不参加工作，而按独立墙肢进行多遇地震作用下的第二次结构内力分析。在这种情况下，剪力墙的刚度降低，位移增大，墙肢的内力和配筋也应增大，以保证墙肢的安全。
6. 在实际工作中，假定超限连梁在大震作用下破坏而退出工作，结构进行第二次多遇地震作用下的内力分析，可近似采用以下几种方法：
⑴. 超限连梁点铰，使超限连梁作为两端铰接梁进入结构整体内力分析计算。一般情况下，连梁铰接处理后，墙肢的计算结果会较大，以保证墙肢的安全。
⑵. 结构整体计算时，可在STAWE中将超限连梁的截面高度按小于300mm输入，STAWE软件在计算内力时会忽略该梁的存在。
⑶. 无论将超限连梁点铰或者让其退出工作，超限连梁均应按实际截面并根据上述第四条的原则进行配筋，做到强剪弱弯。

总之，剪力墙结构设计是一个长期、复杂乃至循环往复的过程，在这过程中，任何遗漏或错误都有可能使结构设计成果存在一些不安全因素。以上论述只是笔者在日常剪力墙设计工作中的一些浅薄认识及心得体会，作为与从事结构工作的同行们的技术交流，不妥之处恳请赐教指正。

参考文献

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