浅谈高层住宅剪力墙的合理布置原则

摘要：为了使结构设计人员能更好把握高层住宅剪力墙结构的设计方法，以崇左市江州区地税局1#高层住宅楼为例，针对在设计过程中考虑诸多因素，如何进行概念设计，如何科学合理布置剪力墙，如何在结构整体计算中满足规范规定的各种控制指标要求，如何进行剪力墙边缘构件的分类和合理配筋，如何在设计中减小连梁刚度避免剪切破坏，分别给予说明。使结构设计人员在今后的剪力墙结构设计中做到既安全、经济又合理。

关键词：高层住宅;剪力墙;短肢墙;结构设计整体性能控制指标

慨述

近年来,随着社会的发展和人口的城镇化，以及土地越来越紧张，高层住宅大量涌现,如何在设计过程中使结构安全、经济、合理已成当务之急。由于目前的高层住宅的户型平面布置大多数是建筑师依据业主的使用要求以及城市规划的景观立面效果要求先进行方案设计，建筑方案阶段，结构专业要先介入建筑专业,运用结构概念设计协调建筑师完善建筑平面布置，以免后续的初步设计阶段及施工图设计阶段产生很多不合理之处和不必要的浪费。现以崇左市江州区地税局1#高层住宅楼工程为例,对高层住宅剪力墙结构设计中需考虑诸多因素予以阐述。

1工程概况

崇左市江州区地税局1#高层住宅楼位于崇左市江滨路，该工程为住宅建筑，属二类高层建筑，主体结构地上为一梯四户塔式建筑18层(1层为架空层，2-18层为单元住宅，层高均为3.1m)，地下负1层(层高为3.5m)为设备用房及部分摩托车、单车停放用房(非人防地下室)，建筑总高为55.8m，设计使用年限为50 年,建筑耐火等级为一级，工程总建筑面积为10841m2,东西长23.30 m,南北长31.60 m。结构体系为剪力墙结构，抗震设防烈度为六度,设防类别为丙类，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组。内隔墙为190厚多孔页岩烧结砖(业主不同意使用轻质加气砼自保温节能砖)。

2.剪力墙的布置原则

2.1 因为剪力墙的抗侧刚度大，容易满足小震作用下高层结构的位移限值，在高层剪力墙结构中，剪力墙宜沿两个主轴方向双向布置，形成空间结构，抗震设计时应避免单向布置剪力墙，幷宜使两个方向刚度接近。一般来说，剪力墙的平面布置遵循“均匀、对称、周边“的原则。剪力墙数量过少，结构的变形过大，结构抗侧刚度不够，反之，如果剪力墙的数量太多，抗侧刚度过大，会使地震力加大，自重加大，对结构并不利且会增加房屋建造成本造成浪费，所以剪力墙的数量应合理确定，使结构具有适宜的侧向刚度。

2.2剪力墙的竖向刚度应均匀，剪力墙宜自下到上连续布置;剪力墙墙肢截面宜简单、规则，剪力墙的门窗洞口宜上下对齐、成列布置，形成明确的墙肢和连梁，尽量避免不规则洞口布置的错洞墙。

2.3 近年兴起的短肢剪力墙较多的剪力墙结构，有利于住宅建筑布置，又可进一步减轻结构自重。短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5~8的剪力墙，一般剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比大于8的剪力墙。但在高层建筑结构中不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构，当短肢剪力墙较多时，应布置筒体(或一般剪力墙)，形成短肢剪力墙与筒体(或一般剪力墙)共同抵抗水平力的结构。当短肢剪力墙较多时(一般认为，剪力墙结构中的短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩约占40～50%结构总底部地震倾覆力矩，界定为短肢剪力墙较多的剪力墙结构)，在抗震设计时，筒体和一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50%。

在布置崇左市江州区地税局1#高层住宅楼剪力墙时，由于x向受门窗洞口布置的制约，x向剪力墙墙肢较短，y向剪力墙墙肢较长，为了使x向和y向抗侧刚度接近，墙肢尽量多做成带翼缘的L形、T形等,少做“一”字形短墙。并沿建筑外围周边均匀分散布置，强化周边，弱化中间，增强整体扭转刚度。剪力墙的墙长不用沿轴线满轴布置，满轴布置剪力墙刚度太大，周期太短,导致地震效应增大,造成不必要的材料浪费。利用外围周边门窗洞口对齐，形成受力明确的墙肢和连梁，地下一层墙厚为250，1-18层墙厚为200，高厚比多数控制在8.5-9左右(即墙长在1700mm-1800mm之间)。个别墙肢长度受建筑使用的制约，形成短肢墙，高厚比在5-8左右(即墙长在1000mm-1500mm之间)。经中国建筑科研院PKPM糸列SATWE计算结果显示，底部短肢墙倾覆弯矩占结构总底部地震倾覆力矩百分比(X向最大)22.216%，可判断该剪力墙结构为普通剪力墙结构。

3. 剪力墙结构的整体性能控制要求

结构平面布置尽可能使结构的刚度中心和质量中心重合，以减少扭转;在进行结构整体抗震计算分析时，结构还需满足<<抗规>>GB-50011-2010及<<高规>>JGJ3-2002规定的七个比例控制指标---周期比、位移比、剪重比、侧向刚度比、层间受剪承载力比、刚重比、轴压比。

在利用PKPM建模完成对崇左市江州区地税局1#高层住宅楼结构平面布置(剪力墙布置及楼盖的梁板布置)后，进入SATWE整体结构计算。由于业主使用上的要求，在建筑平面布置形式上该项目平面体形接近于工字形，为了加强中间薄弱的楼板，在此处加厚楼板(160mm，并双层双向布筋)，并定义为弹性板。由SATWE整体计算结果显示：

(A) 剪力墙的墙肢最大轴压比在第一层(13)轴交(T)轴L形墙肢处为0.65，该工程抗震等级为四级，为一般剪力墙结构。虽然<<抗规>>没有规定剪力墙结构抗震等级为四级的轴压比要求，但为了剪力墙结构有较好的延性，可以参考三级轴压比限值采用，但不要偏离太大，该项目轴压比0.65能满足要求。

(B) 周期比：Tt/T1= 1.6217/ 1.8936=0.85，满足A级高度高层建筑不应大于0.9的要求。

(C) 位移比：最大处，X+5% 偶然偏心地震作用下的楼层最大位移比1.22~1.24，位移角最大值为1/2955，位移比均满足A、B级高度高层建筑均不宜大于该楼层平均值的1.2倍;且A级高度高层建筑不应大于该楼层平均值的1.5倍，及剪力墙结构的位移角最大值1/1000的要求。

(D) 剪重比：X方向水平地震的楼层剪重比最小值为0.0085满足<<抗规>>楼层最小地震剪力系数6度λ=0.008的要求。

(E) 刚重比：结构整体抗倾覆验算，X向刚重比 EJd/GH**2= 5.25，Y向刚重比 EJd/GH**2= 6.72

该结构刚重比EJd/GH**2大于1.4,能够通过高规(5.4.4)的整体稳定验算

该结构刚重比EJd/GH**2大于2.7,可以不考虑重力二阶效应

(F) 层间受剪承载力比：层间受剪承载力比(在第二层)最小值为0.97，能满足<<高规>>楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力80%的要求。

(G) 侧向刚度比：

第1层X方向侧向刚度RJX 1 = 4.2436E+06(kN/m)至第18层RJX = 4.9438E+05(kN/m)

第1层Y方向侧向刚度RJY 1 = 6.0192E+06(kN/m)至第18层RJY = 6.2179E+05(kN/m)

因为剪力墙沿竖向高度均匀连续布置，侧移刚度从下至上逐渐均匀减小，没有形成竖向刚度突变，能满足<<高规>>对楼层侧向刚度的要求。

从此案例可知，高层住宅剪力墙结构在进行剪力墙及梁板布置后，在采用PKPM糸列SATWE软件进行结构整体抗震计算分析时，需满足《抗规》与《高规》对周期比、位移比、剪重比、侧向刚度比、层间受剪承载力比、刚重比、轴压比的要求。

4.剪力墙配筋及构造

4.1剪力墙加强区高度范围取值

在抗震设计时，为了保证出现塑性铰后剪力墙具有足够的延性，提高其抗剪切破坏的能力，在底部一定的范围内应当加强构造措施。该工程剪力墙加强区高度范围，依据<<抗规>>6.1.10要求，剪力墙加强区高度取墙肢总高1/10及底部两层较大值，即55.8/10=55.8m，取1-2层为加强区，并延伸至地下-1层。

4.2剪力墙墙身配筋

该工程剪力墙地面以上墙厚均为200 mm，水平钢筋放在外侧，竖向钢筋放在内侧，加强区水平筋双排φ10@200，竖向筋加强区双排φ10@200，双排钢筋之间采用φ6@400×400拉筋;非加强区水平筋双排φ8@200，竖向筋双排φ10@200，,双排钢筋之间采用φ6@600×600拉筋。地面以下墙厚均为250 mm，地下部分外围墙体竖向配筋φ14@150为主要受力钢筋，水平筋φ12@150，地下部分墙体配筋大多由水压力、土压力产生的侧压力控制，简化计算后由竖向筋控制;为增大计算墙体的有效高度，可将地下部分墙体的水平筋放在内侧,竖向钢筋放在外侧。

4.3 剪力墙边缘构件的设置

剪力墙在轴向压力和水平力作用下，在墙肢边缘应力较大，在该部位用端部竖向纵筋和箍筋组成的暗柱或明柱，称为边缘构件。边缘构件内的砼是约束砼，它是提高墙肢端部砼极限压应变、改善剪力墙延性的重要措施。试验研究表明,钢筋混凝土设置边缘构件后与不设边缘构件的矩形截面剪力墙相比，其极限承载力提高约40%，耗能能力增大20%，且增加了墙体的稳定性，因此一般抗震等级为一、二级抗震设计的剪力墙底部加强部位及其上一层的墙肢端部应设置约束边缘构件，抗震等级为一、二级的其它部位及抗震等级为三级、四级、非抗震设计的剪力墙的墙肢端部应设置构造边缘构件。

一、二级的剪力墙底部加强部位及其上一层的墙肢端部，其约束边缘构件的纵向钢筋配筋最小截面积及约束边缘构件沿墙肢方向Lc和箍筋配箍特征值λv按《高规》第7.1.16条规定。

一、二级剪力墙的其它部位及三级、四级抗震设计、非抗震设计的剪力墙的墙肢端部构造边缘构件的纵向钢筋配筋最小截面积及箍筋配箍要求按《高规》第7.1.17规定。

对剪力墙的配筋应区分剪力墙的受力特性及类别，即普通剪力墙(长墙)、短肢剪力墙较多的短肢剪力墙、小墙肢应区别对待。对于普通剪力墙，其约束边缘构件配筋满足规范要求的最小配筋率;对于短肢剪力墙较多的短肢剪力墙，应按《高规》第7.1.2条控制配筋率加强区1.2%，一般部位1.0%。对于小墙肢(高厚比小于5)其受力性能较差，应严格按《高规》控制其轴压比，宜按框架柱进行截面设计，并应控制其纵向钢筋配筋率加强区1.2%,一般部位1.0%。

该工程抗震等级为四级，为一般剪力墙结构，个别短肢剪力墙抗震等级亦按四级，-1层及上部1-18层均设置构造边缘构件;-1层，第1层, 第2层为剪力墙底部加强区，个别纵筋最大直径为φ14，绝大部分纵筋直径为φ12，加强区构造边缘构件配筋率最大为0.84%，最小为0.53%，3-18层构造边缘构件纵筋配筋率普遍在0.53%～0.58%之间。

4.4剪力墙的连梁

按照延性剪力墙强墙弱梁要求，连梁屈服应先于墙肢屈服，即连梁形成塑性铰耗散地震能量;连梁应当强剪弱弯，避免剪切破坏。在剪力墙结构设计中通过折减连梁的刚度来减小连梁的弯矩值和剪力值，折减系数不小于0.5，以保证连梁有足够的承受竖向荷载的能力。剪力墙中的连梁跨度小，截面高度大，在地震作用下弯矩、剪力很大,有时很难进行设计。如果加大连梁高度,配筋值有时反而更大;减小连梁高度，可降低连梁的刚度，连梁高度一般是从洞顶算到上一层洞底或从洞顶算到楼面标高，对于外围周边窗洞，连梁高度从窗顶取至楼面，楼面至窗台部分可用轻质材料砌筑。连梁配筋应对称配置,腰筋同墙体水平筋，箍筋全长加密。

该工程连梁截面为200×400 ,200x600，大部分连梁纵筋为上下各2φ16,箍筋为φ8@100。

5结语

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、合理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，并充分发挥剪力墙结构的抗震性能，作出既安全又经济的结构。

参考文献:

[1]中国建筑科学研究院.JGJ 3—2002高层建筑混凝土结构技术规程.北京:中国建筑工业出版社,2002.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50011—2010建筑抗震设计规范.北京:中国建筑工业出版社,2010.

[3]方鄂华高层建筑钢筋混凝土结构概念设计北京:机械工业出版社,2004

[4]方鄂华钱稼茹叶列平高层建筑结构设计北京:中国建筑工业出版社,2004

[5]陈岱林赵兵刘民易 PKPM结构问题解惑及工程应用实例解析北京:中国建筑工业出版社,2008