高层建筑框架剪力墙结构设计中几个问题的探讨

摘要：现在的高层建筑越来越多，同时投资者的要求也越来越多，使设计中遇到的需要专门处理的问题也越来越多。根据剪力墙整体系数及肢强系数对剪力墙进行分类，本文就目前剪力墙结构设计中的一些常见问题进行探讨，提出了一些具体的更切实际的处理方法。
　　关键词：高层建筑；剪力墙结构；整体系数；联肢墙；
　　随着经济和社会的发展，高层建筑逐渐成为现代建筑的发展趋势。20世纪60年代出现的剪力墙结构，由于其抗侧刚度大，能有效的减少侧移，且具有较好的抗震性能。而使其被广泛应用于多层和高层钢筋混凝土房屋中。
　　剪力墙结构刚度大，整体性好，用钢量较省，在高层住宅、旅馆等居住性建筑中，居室和客房均为小房间，分隔墙较多。采用现浇剪力墙结构，可以将承重墙与分隔墙合二为一，相对来说比较经济。另外，室内较框架结构简洁，没有露梁、露柱现象。外形美观，便于室内布置，使用功能更好，且增大了使用面积。因此受到了开发商和业主的广泛欢迎。
　　1结构布置
　　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：
　　1．1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。”一旦出现上述情况，对墙肢轴压比、配筋等都有严格的限制，设计施工都比较困难。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，仅当加强配筋即可。
　　1.2谨慎采用短肢剪力墙结构
　　近年来兴起的短肢剪力墙结构，既有利于建筑的灵活布置，又可进一步减轻结构自重，比较受业主欢迎。但由于抗震性能较差，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。几年的设计经验表明，短肢剪力墙并不具有经济性。因此，笔者认为，除非在建筑功能有特殊要求的情况下，尽量不要使用短肢剪力墙。设计中，可适当加长墙肢尺寸，满足普通剪力墙高厚比大于8的要求，不仅构件受力更为合理，而且具有良好的经济效果。
　　1.3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)。
　　1.4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。
　　2剪力墙的分类及受力特点
　　根据墙上开洞口的大小、位置及数量的不同，剪力墙可分为整截面墙、整体小开口墙、独立悬臂墙、联肢墙及壁式框架五类，理论上可以通过剪力墙整体系数a和墙肢与组合截面惯性矩比及肢强系数来判断。整体系数a的物理意义是连梁与墙肢的抗弯线刚度的比值，越大，表明肢越弱梁越强，连梁对墙肢的约束弯矩越大，剪力墙的整体性越好。但肢弱梁强有两种情况：一是墙肢是弱的，梁比肢强，即真正的弱肢强梁；二是墙肢是强的，但梁比肢更强。因此，要用肢强系数同时结合截面惯性矩比来判别墙肢的强弱。
　　当满足a≥10，≤时，可判断为整截面墙或整体小开口墙；当a≥10，但≥时为壁式框架：满足≤，但a<10时为联肢墙；特别是当a<1时为独立悬臂墙。这几种剪力墙在水平荷载下的受力特点各不相同。
　　整截面墙与整体小开口墙整体性好，它们的受力性能有些相似，变形曲线都是弯曲型，区别在于整截面墙不开洞，弯矩不发生突变，不出现反弯点，而整体小开口墙上开有小洞口，弯矩有突变，但基本无反弯点。这两种墙连梁对墙肢的约束作用极强，属于肢强梁更强的情况。根据文献，以L形对称的剪力墙为例进行分析，墙长取1800mm，翼缘宽取400mm，墙厚200mm，18层，连梁净跨1．5m，当梁高增大到lO00mm，才满足剪力墙整体系数刚好为10．0，由此可看出确实是肢强梁更强。
　　因此，在结构设计中，应多布置一般剪力墙，少量采用短肢剪力墙，如有可能尽量不用超短肢剪力墙及柱形墙肢。但一般剪力墙也不是墙肢越长越好，根据文献，当墙肢高长比或剪跨比大于2的一般剪力墙，称为高墙，其受力状态为弯剪型和弯曲型，其破坏为弯曲破坏，属于延性破坏。墙肢高长比或剪跨比不大于2的，在水平地震作用下的破坏模式或为剪切破坏，或为剪弯破坏，很难避免出现剪切斜裂缝，尤其≤l或剪跨比小于l的墙肢，称为矮墙，其破坏均为剪切破坏，类似短柱，属于脆性破坏，在高层建筑中严禁采用。对于矮墙及中矮墙可通过开洞分成若干墙段，每个墙段的高长比大于2，墙段可以是一般剪力墙，也可以是联肢墙，各墙段间宜设置弱连梁连接。
　　3结语
　　在高层建筑剪力墙结构中，剪力墙结构设计中有很多需要注意的问题，也有一些技巧，只有熟练地掌握规范，并具有良好的结构概念，才能设计出既安全又经济适用的优秀作品。
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