简析剪力墙结构的抗震设计
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摘要：随着剪力墙体系结构在高层建筑中日益广泛的应用，研究剪力墙结构的抗震设计具有越来越重要的意义。本文首先提出了抗震设防应达到的目标，以此目标为指导详细阐述了剪力墙抗震设计的要点，最后探讨了剪力墙抗震设计的构造措施。
关键词：剪力墙；抗震设计；连梁配筋；概念设计；约束边缘构件
0 引言
随着世界范围内的城市用地紧张，城市建筑的建设倾向于向多空间纵向发展，百米高度以上的高层建筑大多采用剪力墙结构。和框架结构相比，剪力墙结构不显示柱梁的边角，外观上更为美观，视觉放大了建筑面积，还兼具有抗震功能，诸多优点使得剪力墙受到了建筑师们的广泛欢迎。对于剪力墙的抗震设计，应该从整体上把握，细节要点处着手，根据相关规范设计出抗震模型。
1 剪力墙抗震设计目标
剪力墙的抗震设计目标是指剪力墙在遇到不同程度的地震时，对建筑结构、建筑构件的损坏程度及人身安全的综合要求。根据《建筑抗震设计规范》，将抗震设计的目标与3种强度的地震对应，分为三个级别，具体描述如下：
第一种级别：在正常荷载使用或遭遇多遇地震（也称小震）作用下，剪力墙不受损坏或不经修理仍可使用；第二种级别：当遭受中等强度地震作用时，剪力墙遭受一定的损坏，经一般修理或不经修理仍可使用；第三种级别：在遭受罕见的强度地震作用下，剪力墙不能够倒塌或发生危及生命的严重损坏。行业内通常将其总结为“小震不坏，中震可修，大震不倒”。
2 剪力墙抗震设计要点
2.1 确定基本设计信息
要提前对建筑场地的地基、基础选型进行分析，并根据当地地震特性和建筑高度确定抗震设计的级别。研究当地的地震加速度、地震周期和土地松弛程度等特征，以此确定建筑场地的地震特性。建筑越高，风荷载的控制力就愈大，所以建筑高度也应在考虑范围内。通过对场地地质的分析，确定地基承载力的范围，针对具体情况进行不同的地基处理，尤其是在桩基时，地基的承载力会相应的减少，要根据实际情况进行验证。在进行基础选型时，根据地质公司提供的地质勘察报告给出的参考模型进行选择，一般的基础选型有预制管桩基础、桩筏基础等，对于不同的基础选型，基础埋深的要求有所不同，在选型时也要特别注意。
2.2 剪力墙的平面设置和概念设计
2.2.1 剪力墙的平面设置
剪力墙结构的竖向荷载和水平向荷载都由剪力墙的墙体承受，所以剪力墙结构应沿着主轴线方向布置。剪力墙平面上力求简单、规则、对称，否则建筑物的质心和刚度中心会有较大偏移，一旦受到水平荷载作用，剪力墙结构不仅会横向平移，还会绕着刚度中心发生扭转。单片剪力墙的突出长度不能过长，过长的剪力墙容易受剪，抗震性脆弱，一般要求剪力墙的墙段长度不宜大于8m。剪力墙的侧向刚度不能过大,《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]中明确规定：对于A级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80％；对于B级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的75％”。
2.2.2 剪力墙的概念设计
剪力墙的概念设计是指在难以进行精确力学分析的情况下，不经过确定的数值计算，从整体角度对剪力墙的结构和具体实施进行宏观控制。
在方案设计阶段，就应该进行深入的概念设计，建立多道抗震防线。剪力墙结构主要适用于下列形式：内外墙为现浇混凝土结构、内墙为现浇混凝土结构外墙为框架结构、短肢剪力墙较多的剪力墙结构。短肢剪力墙指的是墙肢厚度不大于300mm时，墙肢的长度为厚度的4-8倍剪力墙结构。实践表明，建筑外边缘和角点墙肢、底部外围墙肢、连梁等是剪力墙结构抗震薄弱环节，对于这些薄弱点，要加强概念设计。墙段与墙肢的高度比应大于2，墙肢超8米要设洞口，各墙段之间设连梁，连梁长度不宜超6.0米，否则会形成局部长剪力墙。墙段边翼长度大于厚度的3倍，尽量双向布置，避免一字墙。《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定了剪力墙的最小厚度，见表1：
表1 《高规》中规定剪力墙的最小截面厚度
抗震等级 剪力墙部位 截面厚度
一字型独立剪力墙 有端柱或翼墙
一级、二级 底部加强区 220mm 200mm
其他部位 180mm 160mm
三级、四级 底部加强区 180mm 160mm
其他部位 160mm 160mm
非抗震 160mm
同时《抗规》根据层高和剪力墙的长度对剪力墙的厚度也做出了规定：一、二级时不宜小于层高或无支长度的1/20，三、四级时不宜小于层高或无支长度的1/25；无端柱或翼墙时，一、二级时不宜小于层高或无支长度的1/16，三、四级时不宜小于层高或无支长度的1/20；底部加强区的墙厚，一、二级时不宜小于层高或无支长度的1/16，三、四级时不宜小于层高或无支长度的1/20；无端柱或翼墙时，一、二级时不宜小于层高或无支长度的1/12，三、四级时不宜小于层高或无支长度的1/16；
2.3 剪力墙的抗震计算
概念设计完成以后，开始对剪力墙主体和各个构件进行细化计算。剪力墙主体抗震计算涉及到以下几个变量值：《抗规》规定：一、二、三级抗震墙在重力荷载代表值的作用下墙肢的轴压比，一级时，9度不宜大于0.4,7、8度时不宜大于0.5，二三级时不宜大于0.6。轴压比越大剪力墙的延性越差。同时《高规》和《抗规》对楼层最小地震剪力系数值做了明确规定，详见表2，
表2楼层最小地震剪力系数值
类别 6度 7度 8度 9度
扭转效应明显或基本周期小于3.5s的结构 0.008 0.016（0.024） 0.032（0.048） 0.064
基本周期大于5.0s的结构 0.006 0.012（0.018） 0.024（0.036） 0.048
注：1、基本周期介于3.5s和5.0s之间的结构，应允许线性插入取值；
2、7、8度时括号内数值分别用于设计基本地震加速的为0.15g和0.30g的地区。
刚度比代表剪力墙竖向规则性，水平位移比，周期比，刚重比代表结构的稳定性。考虑偶然偏心影响的规定水平地震作用下，A级高度剪力墙结构楼层竖向构件最大水平位移和层间位移位移比不宜大于楼层平均值的1．2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍。结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期比不应大于0．9；另外《高规》还规定，高度不大于150m的剪力墙结构按弹性方法计算的风荷载或多遇地震标准值作用下的楼层层间最大水平位移与层高之比不宜大于1/1000。
剪力墙结构的构件计算主要包括连梁的计算和约束边缘构件的计算。
2.3.1 连梁配筋
连梁是连接墙肢与墙肢、墙肢与框柱的梁，主要功能是连接两片剪力墙，使两片剪力墙在遭遇水平向荷载时协同工作。连梁在设计时，应遵循“强剪弱弯”的原则，使纵向弯曲损坏先于横向的剪切损坏，以免发生抗弯剪超筋[7]。连梁计算包括正截面抗弯力计算和斜截面抗剪切力计算。对于连梁的非抗震设计、跨高比小于2.5的抗震设计、跨高比大于2.5的抗震设计，墙肢切面的受剪力和配筋设置，高规中有不同的要求且给出了计算公式。
连梁配筋要尽量采用截面对称配筋，以承载水平方向的剪力，防止剪力墙斜向损坏导致耗能力下降。在对连梁结构进行计算时，要相应程度的折减连梁的刚度，避免出现连梁裂缝的情况。在确保其功能的情况下，连梁的纵筋应该尽可能的小，保证在连梁在地震时起到耗散能量的作用。连梁的主筋和侧筋的直径、高度相同时，尽量做到“能通则通”[8]；当墙肢厚度超过700mm，侧筋的直径宜大于10mm，箍筋率应大于0.003.
2.3.2 边缘构件中的水平分布筋设置
对于约束边缘构件的配箍率在高规中有明确的规定，不再赘述。值得注意的是，箍筋的长短比不宜大于3，相邻的两个箍筋宜搭边1/3长度。
根据11G101-1规定，剪力墙的第一根水平分布筋到楼板上下面的距离小于或等于100mm，在端柱中，只要水平筋锚固长度满足Lae要求，可以进行直锚。但是对于“剪力墙水平分布筋是否能与暗柱箍筋搭边”的问题，则需要根据具体情况具体分析，一般来说，要考虑两个条件，首先是暗柱箍筋能否抵抗周期性水平向地震产生的剪力，其次是暗柱箍筋数量是否大于水平向剪力钢筋的数量，假若两个条件都不确定时，不可轻易将两者搭边。水平筋方向墙柱厚度大于Lae时，剪力墙的水平筋要延至柱对边。水平筋要全部锚入边柱内：水平筋的直径一般不会超过墙厚的十分之一，水平筋可以直锚入边柱内；如果水平筋的长度不能进行直锚时，可采用锚固水平段加弯折段的方法进行锚固，或采用机械锚固。此处要注意的是，水平筋的设置是按照剪力墙总墙肢长度计算，并未扣除端柱或暗柱的长度。
3 剪力墙抗震构造的模型设计
剪力墙的抗震构造方法主要有以下方面：
第一点：剪力墙是建筑的隔离墙和保护墙，墙体的布置必须同时满足平面设置和结构设置的规范要求。
第二点：为了确保剪力墙不会发生扭转形变和位移，保证墙体自身的质量和较好的承受力，墙体截面的厚度应该符合《高规》和《抗规》规定。
第三点：限制剪压比，保证“强剪弱弯”，在剪力墙底部及上层墙肢端部设置约束边缘构件，在非加强区墙肢端部设置构造边缘构件。
第四点：剪力墙的墙肢分布力求均匀，令刚度中心与质心尽量接近，甚至可以用用长肢墙进行刚度中心的调整。
4 结束语
城市高层建筑建设日趋加速，剪力墙结构运用越来越广泛。首先要明确剪力墙抗震设计目标，本文按照剪力墙结构设计的几个要点进行分析，结合规范要求，列举了剪力墙抗震设计模型的构造措施，对剪力墙结构的抗震设计进行了深入的探讨和分析。
参考文献
[1] GB50011―2010，建筑抗震设计规范[s]．
[2] JGJ 3―2010，高层建筑混凝土结构技术规程[s].
[3] GB50010-2010，混凝土结构设计规范[s].
[4] 11G101-1，混凝土结构施工图平面整体表示方法和构造详图图集[s].
[5] 陈钥.浅议连梁纵筋配筋率和超限解决方法[J]．PKPM新天地，2004.(10)．
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
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