时间：2013-11-29 分类：建筑设计
摘要：本文提出了剪力墙设计的几个问题，以及高层建筑结构分析和各种体系相对应的方法。
关键词：高层建筑 结构体系 剪力墙设计
1 引言
在剪力墙、框架—剪力墙和框架筒体结构体系中,连接墙肢与墙肢、墙肢与框架柱的梁称为连梁。连梁一般具有跨度小，截面高，与连梁相连的墙体刚度大等特点。因此，高层建筑在水平力作用下，连梁的内力往往很大。设计时，即使采取了降低连梁内力的各种措施，如：加大剪力墙的洞口宽度;在连梁中部开水平缝，在计算内力和位移时对连梁刚度进行折减，对局部内力过大层的连梁内力进行调整等，仍无法使连梁的截面设计符合要求。由于设计规范对此没有明确规定，因此，设计时感到无所适丛。而设计、构造不当将会造成结构在抵抗水平力时的强度、刚度不符合要求，进而影响承受竖向荷载的能力。
2 连梁
在实际工程中, 连梁的跨高比和截面尺寸受到许多因素的影响, 跨高比小于2.5甚至更小。这类连梁在水平地震力作用下，往往出现承载大超限的情况, 且首先是抗剪承载力的超限, 这类连梁的设计首先是要能满足强剪弱弯。如果结构只有少数连梁承载超限, 当这些连梁出现屈服并形成塑性佼时, 就会有部分弯矩转移到墙肢, 一般情况下, 墙肢的强度应能承受这些增加的弯矩，但是如果沿墙身有较多的连梁超限而屈服时, 墙肢就会增加较大的弯矩, 这时就应当考虑对结构进行修改, 重新进行结构的整体计算, 修改的方法有以下几种：
1)对连梁刚度进行折减
在水平荷载作用下, 连梁屈服表现为梁端出现裂缝、刚度削弱、内力重分布, 进行结构整体计算时,需对连梁刚度进行折减。根据《高规》第4.1.7条规定：折减系数不应小于0.55
2)增加洞口宽度
增加洞口宽度亦即增加连梁跨度, 同时也减小墙肢长度, 其目的是减小连梁刚度, 同时也减小了结构的整体刚度, 这就减小了地震作用, 使连梁的承载力有可能不超限。
3)减少连梁高度
在满足结构位移限值前提下, 适当减少连梁高度可减少连梁刚度, 使连梁承受的弯矩、剪力减小。有时减少连梁高度和增大墙厚双管齐下, 使梁相对刚度减小更快。
4)提高混凝土强度等级
混凝土强度等级提高后, 其弹性模量随之增加,因此结构的地震作用也会增加, 但结梅的地震作用增加的比例远小于混凝土承载能力的提高, 因此也有可能使连梁的承载力不再超限。上述各种措施中, 首先必须进行刚度折减, 如仍超限可结合采用其余各种措施。
3 高层建筑结构分析
3.1弹性假定
目前工程上实用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法。在垂直荷载或一般风力作用下，结构通常处于弹性工作阶段，这一假定基本符合结构的实际工作状况。但是在遭受地震或强台风作用时，高层建筑结构往往会产生较大的位移，出现裂缝，进入到弹塑性工作阶段。此时仍按弹性方法计算内力和位移时不能反映结构的真实工作状态的，应按弹塑性动力分析方法进行设计。
3.2小变形假定
小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。但有不少人对几何非线性问题(P-Δ效应)进行了一些研究。一般认为，当顶点水平位移Δ与建筑物高度H的比值Δ/H>1/500时，P-Δ效应的影响就不能忽视了。
3.3刚性楼板假定
许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大，而平面外的刚度则忽略不计。这一假定大大减少了结构位移的自由度，简化了计算方法。并为采用空间薄壁杆件理论计算筒体结构提供了条件。一般来说，对框架体系和剪力墙体系采用这一假定是完全可以的。但是，对于竖向刚度有突变的结构，楼板刚度较小，主要抗侧力构件间距过大或是层数较少等情况，楼板变形的影响较大。特别是对结构底部和顶部各层内力和位移的影响更为明显，可将这些楼层的剪力作适当调整来考虑这种影响。
3.4计算图形的假定
高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形有三种：
(1)一维协同分析。按一维协同分析时，只考虑各抗侧力构件在一个位移自由度方向上的变形协调。在水平力作用下，将结构体系简化为由平行水平力方向上的各榀抗侧力构件组成的平面结构。根据刚性楼板假定，同一楼面标高处各榀抗侧力构件的侧移相等，由此即可建立一维协同的基本方程。在扭矩作用下，则根据同层楼板上各抗侧力构件转角相等的条件建立基本方程。一维协同分析是各种手算方法采用最多的计算图形。
(2)二维协同分析。二维协同分析虽然仍将单榀抗侧力构件视为平面结构，但考虑了同层楼板上各榀抗侧力构件在楼面内的变形协调。纵横两方向的抗侧力构件共同工作，扭矩与水平力同时计算。
(3)三维空间分析。二维协同分析并没有考虑抗侧力构件的公共节点在楼面外的位移协调(竖向位移和转角的协调)，而且，忽略抗侧力构件平面外的刚度和扭转刚度对具有明显空间工作性能的筒体结构也是不妥当的。三维空间分析的普通杆单元每一节点有6个自由度，按符拉索夫薄壁杆理论分析的杆端节点还应考虑截面翘曲，有7个自由度。
4 剪力墙设计中的基本概念
4.1剪力墙高和宽尺寸较大但厚度较小，几何特征像板，受力形态接近于柱，而与柱的区别主要是其长度与厚度的比值，当比值小于或等于4时可按柱设计，当墙肢长与肢宽之比略大于4或略小于4时可视为为异形柱，按双向受压构件设计。#p#分页标题#e#
4.2剪力墙结构中，墙是一平面构件，它承受沿其平面作用的水平剪力和弯矩外，还承担竖向压力：在轴力，弯矩，剪力的复合状态下工作，其受水平力作用下似一底部嵌固于基础上的悬臂深梁。在地震作用或风载下剪力墙除需满足刚度强度要求外，还必须满足非弹性变形反复循环下的延性、能量耗散和控制结构裂而不倒的要求：墙肢必须能防止墙体发生脆性剪切破坏，因此注意尽量将剪力墙设计成延性弯曲型。
4.3实际工程中剪力墙分为整体墙和联肢墙：整体墙如一般房屋端的山墙、鱼骨式结构片墙及小开洞墙。整体墙受力如同竖向悬臂，当剪力墙墙肢较长时，在力作用下法向应力呈线性分布，破坏形态似偏心受压柱，配筋应尽量将竖向钢筋布置在墙肢两端;为防止剪切破坏，提高延性应将底部截面的组合设计内力适当提高或加大配筋率;为避免斜压破坏墙肢不能过小也不宜过长，以防止截面应力相差过大。联肢墙是由连梁连接起来的剪力墙，但因一般连梁的刚度比墙肢刚度小得多，墙肢单独作用显著，连梁中部出现反弯点要注意墙肢轴压比限值。壁式框架：当剪力墙开洞过大时形成宽梁、宽柱组成的短墙肢，构件形成两端带有刚域的变截面杆件，在内力作用下许多墙肢将出现反弯点，墙已类似框架的受力特点，因此计算和构造应按近似框架结构考虑。综上所述，设计剪力墙时，应根据各型墙体的特点，不同的受力特征，墙体内力分布状态并结合其破坏形态，合理地考虑设计配筋和构造措施。
4.4墙的设计计算是考虑水平和竖向作用下进行结构整体分析，求得内力后按偏压或偏拉进行正截面承载力和斜截面受剪承载力验算。当受较大集中荷载作用时再增加对局部受压承载力验算。在剪力墙承载力计算中，对带翼墙的计算宽度按以下情况取其小值：即①剪力墙之间的间距;②门窗洞口之间的翼缘宽度;③墙肢总高度的1/10;④剪力墙厚度加两侧翼墙厚度各6倍的长度。
4.5为了保证墙体的稳定性及便于施工，使墙有较好的承载力和地震作用下耗散能力，规范要求一二级抗震墙时墙的厚度应≥16Omm，底部加强区宜≥200mm，三四级抗震等级时应≥14Omm，竖向钢筋应尽量配置于约束边缘。
5 剪力墙的边缘构造
5.1结构试验表明矩形截面剪力墙的延性比工字形或槽形截面剪力墙差：计算分析表明增加墙肢截面两端的翼缘能显著提高墙的延性：因此在矩形墙两端设约束边缘构件不但能较显著地提高墙体的延性，还能防止剪力墙发生水平剪切滑动提高抗剪能力。从1989年出版的规范开始在剪力墙中提出了暗柱、端柱、翼墙(柱)、转角墙(柱)，也就是目前规范中的约束边缘构件或构造边缘构件的抗震措施。
5.2对规范的不同理解往往产生了五花八门的设计。有人将每一轴线的墙理解为一片墙仅在端墙设暗柱，有人将凡是拐角或洞口边都设暗柱，而即使是公开发表出版的权威参考书或设计手册对暗柱(翼墙柱)的截面取值也出现了以下三种不同尺寸，因此造成配筋的差别很大，甚至相同的资料由于出版的时间不同，对规范的理解也有所不同。
5.3从2002年开始实施的建筑结构规范，根据结构类型及受力状况，对剪力墙两端及洞口两侧的加强边缘，按墙肢在重力荷载代表值作用下墙肢轴压比的界线及加强部位要求分为约束边缘构件和构造边缘构件两类。
6 剪力墙结构的厚度和配筋问题
6.1墙的水平分布筋是为横向抗剪以防止墙体在斜裂缝出现后发生脆性剪切破坏，同时起到抵抗温度应力防止混凝土出现裂缝，设计中当建筑物较高较长或框剪结构时配筋宜适当增加，特别在连梁部位或温度、刚度变化等敏感部位宜适当增加。但对于矮、短的房屋，其水平筋的配筋率是否适当减小值得探讨。
6.2墙的竖向钢筋主要起抗弯作用，目前在一些多层低高层剪力墙中电算结果多为构造配筋;但配筋时所取的配筋率有人往往扣除了约束边缘构件或构造边缘构件中的钢筋，笔者认为竖向最小配筋率应该包括边缘构件中的钢筋，墙肢的竖向配筋原则也应该尽量将钢筋布置在墙端部边缘区并保证钢筋间距≤300mm，也应该注意防止竖筋过多使墙的抗弯强度大于抗剪强度，对抗震不利。
7 结语
高层建筑剪力墙连梁的设计受很多因素的制约。连梁的内力和剪力墙的多少、每片剪力墙的水平力大小、连梁的刚度、与之相连的墙肢刚度等都有关。因此在设计时,问题是比较复杂的,设计时要把互相制约的因素统一协调,以取得比较理想的结果。
