高层剪力墙结构设计

摘要：近年来，为满足高层建筑的抗震要求，剪力墙结构被广泛应用。剪力墙结构的合理设计及优化布置，对于节约建设成本具有重要意义。针对在设计过程中考虑的诸多因素，对剪力墙结构的设计问题进行探讨和研究，从而使结构设计人员在以后的高层建筑剪力墙结构设计时能做到既安全又经济。

关键词：高层剪力墙 结构设计 成本控制

剪力墙房屋通常适用于临街的住宅，办公楼等建筑，它既可承重，又可耐寒，使用空间较大，房屋布置灵活，其造价比多层框架房屋经济。因此被广泛采用，在高层剪力墙结构设计中，既要发挥它具有足够的抗侧能力等优点，又要改进其工程费用较高的缺点，成为了结构工程师所要考虑的焦点。

1、结构布置

1.1 剪力墙的布置

在高层剪力墙住宅建筑标准层单位面积含钢量中，剪力墙墙身用量约占40%～60%，因此剪力墙布置的基本原则是：尽量减少剪力墙的数量，且各墙肢布置时应考虑如何减少边缘构件，并通过布置较少的抗侧力构件获得满足规范要求的抗侧、抗扭刚度。具体措施如下：

(1)强周边，弱中部

剪力墙尽可能布置在结构周边外围护墙位置，在结构中部宜减少剪力墙的布置量，以便于提高主体结构的抗扭刚度，控制结构的周期比与位移比。

(2)多均匀长墙(长度≤8m),少短墙

在保证竖向及水平承重情况下，要精心选择对结构承受水平及竖向荷载有利的隔墙位置设置剪力墙， 尽量拉大剪力墙的布置间距，避免较小的间距内布置多道剪力墙。通过加长剪力墙墙肢长度，减小墙数量，使结构整体抗侧刚度增加，边缘构件数量减少，且由于墙间距拉大，增加了建筑平面布置灵活性。

(3)多L形、T形、十字形墙肢，少复杂形状转折

在布置剪力墙时，应考虑剪力墙连续转折及小墙垛布置对边缘构件的影响，减少暗柱数量及避免设置不必要的大暗柱，因墙体转折处必须设置暗柱。

(4)多连续，少半框

应尽量将结构两个方向的剪力墙通过连梁或框架梁连成整体，形成贯穿整个结构宽度或长度的抗风、抗震结构，避免独立墙肢或半框架墙肢出现，这有利于增加结构的整体抗侧刚度，从而以较少的剪力墙布置量来满足层间位移角限值要求。

(5)各墙肢轴压比宜接近

在人工导算竖向荷载情况下，各剪力墙墙肢的轴压比宜基本接近并尽量靠近相应结构抗震等级轴压比限值，如此可避免通过连梁或框架来调整各墙肢的轴向变形差，使梁配筋增大，甚至配筋困难，且可减少剪力墙的布置量及结构自重，让每一道剪力墙直接发挥其竖向承载的作用。

1.2 梁、板的布置

高层剪力墙住宅标准层单位面积含钢量中，梁板的合计用钢量约占35%～55%。对高层住宅，荷载一般不大，楼板绝大多数均为构造配筋，板厚就决定了楼板用钢量的大小，所以楼板厚度一般按挠度、裂缝及板内设备穿管的最低要求取值，不必过厚。楼层梁布置时，应保证梁具有简单明确的传力路径，避免多重次梁、多次传递的情况。剪力墙结构中梁的经济跨度一般在3m～5m 之间; 若非刚度及连接一字形墙的需要，不宜设置高连梁，因梁越高混凝土用量越大构造配筋越多。

2、结构分析

2.1 计算调整

若层间位移角不满足规范要求，可采取以下措施：查看位移文件以确定哪些楼层位移角超限，一般情况是结构中下部楼层，若超限不多，可通过提高剪力墙厚度加以解决，否则需要增加剪力墙的布置量或关键连梁的高度。若周期比、位移比不满足规范要求，可采取以下措施：(1)将结构周边程序定义为连梁的梁改为框架梁或增加连梁高度，以增加结构外围刚度;(2)减少结构中部剪力墙布置量及降低连梁高度以增大结构的平动周期而间接改善周期比、位移比;(3)查看结构空间振型曲线，找出位移最大点，在该位置处适当增加剪力墙布置量，再计算以使周期比、位移比、层间位移角满足规范要求。若层间位移角较规范限值富余较多，应适当调整梁布置及减小梁截面，将部分连接复杂的梁改为铰接梁，以降低梁刚度，从而减小地震作用，降低成本。

2.2 计算中若干问题的处理

(1)连梁超筋:计算分析中，个别连梁超筋常常出现，对于超筋连梁，加高连梁的方式一般来说收效不大，应扩大洞口宽度或减小梁截面，增大连梁的跨高比，减小该片连肢墙刚度，转移其承担的部分地震力，从而降低连梁内力达到不超筋的目的;对调整有困难的梁，若有其它可靠水平力传递路径也可以通过降低梁的弯剪刚度而不减小梁截面的方法进行调整。另外值得注意的是，梁净跨小于4m的梁，才能自动识别为连梁，导致对净跨大于4m、但跨高比小于5的连梁及一端与剪力墙相连另一端与剪力墙端柱相连的连梁漏判，以及两端均与剪力墙相连、净跨虽小于4m但跨高比大于5的梁及两端均与墙垂直相连梁的误判，从而导致刚度折减错误和混凝土强度等级错误(连梁与剪力墙混凝土同等级)。计算时应注意到“特殊构件定义”里修改。

(2)剪力墙拐角处的小墙垛，若非特别要求，计算中可不建立此类构件的模型，因计算结果表明小墙垛超筋或配筋较大的现象普遍存在(若因连接较大跨度梁造成计算配筋较大应按实际配筋)，给截面配筋设计带来较大困难。

(3)为了避开短肢剪力墙，将长墙做成1700～1800mm 的方式不妥，尤其是此类墙在整栋楼中所占得份额较多时，建议该类墙的长度不宜小于2000mm。

(4)对与墙垂直相交的梁，若墙体厚度不足以锚固梁支座钢筋时，应采取附加锚固措施，如设置梁头，墙顶增设宽边框梁。

(5)对剪力墙结构中有少量框架柱的结构进行框架剪力墙调整时应注意，目前主流设计程序对一端与剪力墙甚至两端与剪力墙相连的框架梁或连梁内力均进行了放大，这是不正确的，为此，建议对梁进行框架剪力墙调整与不调整两次计算，有选择的进行配筋设计。在剪力墙结构中使用剪力墙调整时可能对用钢量有较大的影响，宜慎重。

3、构造措施

3.1 墙配筋

(1)对带翼缘的边缘构件为计算配筋且配筋量较大时， 建议采用“剪力墙组合配筋”重新计算该边缘构件，该边缘构件总体配筋会减少40%以上，计算初值选默认的构造配筋值。

(2)对小开口整体墙因开洞形成的一字墙可不作为单片墙或短肢剪力墙，在配筋时，洞口两侧仅设置构造边缘构件;对L形、T形及十字形墙只要有一个方向不是短肢剪力墙就不应定义为短肢剪力墙。

(3)在L形、T形墙中，当腹板(短)与翼缘(长)不匹配是可放宽对翼缘边缘构件的构造要求，对十字形墙的交叉部位也应按构造要求设置暗柱。

(4)墙厚大于300mm的单片短肢墙可不定义为短肢剪力墙，可按一般剪力墙或框架柱的相关构造要求执行。

(5)当剪力墙混凝土强度等级为C50～C60 且墙较长时或顶层外墙等温度应力影响较大的区域，为减少混凝土收缩及温度应力引起的裂缝，应加大水平分布钢筋的配置量。

(6)剪力墙顶部设置暗梁，以便连梁、框架梁纵筋及剪力墙竖向钢筋锚固，暗梁高度400～500mm，按构造要求配置纵筋和箍筋。

3.2 梁配筋

(1)高层或超高层剪力墙结构楼层连梁及框架梁由于地震作用的原因，其内力及配筋随高度的变化较大，因此建议适当选择归并楼层数，这样可以节约用钢量。

(2)当一端或两端与墙垂直相交的梁位于刚接墙体处厚度足以锚固梁支座钢筋时，若地震作用所产生的支座弯矩占总弯矩30%以上时，梁应按框架梁设计，相应剪力墙位置应根据梁端弯矩计算配置暗柱纵筋。

4、控制建筑结构成本的措施

4.1 采用轻质高强材料

隔墙尽可能采用轻质墙体，如加气混凝土砌块、轻质墙板等，以减轻荷载，较小地震作用，降低基础造价。暗柱、梁、板采用高强钢筋，以减少计算配筋量。

4.2 精心的荷载清理

如有大量的门窗洞口，其荷载应扣除，明确建筑使用功能以确定活荷载，去掉不必要的荷载。

5、结语

总之，在进行剪力墙结构设计时，应根据具体工程的特点，对其剪力墙的受力状态进行正确的计算分析，同时其设计也有一些技巧，只有熟悉地掌握规范，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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