高层住宅剪力墙结构设计浅谈

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　　摘要：剪力墙结构以其良好的结构刚度和优越的抗震性能，广泛应用于高层建筑以及高烈度地区建筑。本文在笔者多年结构设计经验的基础上，针对高层住宅剪力墙结构设计及其常见问题，提出一些建议和处理方法。
　　关键词：高层 剪力墙结构 设计
　　
　　一、合理的结构布置
　　高层住宅剪力墙结构设计的首要步骤是确定合理的结构布置。剪力墙住宅的结构布置，要把握两个要点：
　　(1)考察平面布置，避免严重的平面不规则
　　普通高层住宅，由于建筑功能布局的需求，常在平面中心位置设置楼电梯间，形成一梯多户的发射状布局，平面布置呈细腰形，不利于水平力的传递。高规以及部分省市的地方规范中，对细腰形平面尺寸提出了量化的控制目标，以作为平面布置的依据之一。合理的平面体型，是一个建筑能够成功实现的先决条件。
　　(2)剪力墙布置宜均匀、对称
　　对称的结构布置，是最合理的结构布置。剪力墙布置过程中，宜尽量顾及结构的对称性，均匀布置。过于集中或者过于分散，都不利于楼层水平力传递的连续性。过于集中的剪力墙布置可能导致结构刚度中心的过度偏置，产生较为严重的扭转效应；过于分散的剪力墙布置则会导致梁板跨度加大，一方面会增加结构自重，加大地震效应；另一方面，大跨度的梁板体系平面外刚度较差，在水平力作用下容易失稳，不利于水平力的有效传递。
　　结构角部，属扭转薄弱部位，易产生较大的扭转位移，导致扭转破坏。在考虑剪力墙的布置时，宜单独对角部进行加强。当建筑方案有转角凸窗时，可采取设置端柱，在转角部位楼板中设置暗梁等措施，达到提高扭转刚度的目的。
　　二、轴压比
　　剪力墙是重要的抗侧力构件，具有重要的抗侧力功能，同时也是重要的竖向构件，其竖向承载力的设计必须重视。在规范中，对不同抗震等级的剪力墙给出了轴压比限值，这是对结构竖向承载力和延性的基本保障。设计中，应使之控制在规范限值范围以内。
　　三、结构刚度
　　结构刚度是结构整体稳定性和舒适性的保证。规范通过控制结构水平力作用下的最大层间位移和顶点位移，来达到控制结构刚度的目的。对于楼层总数不多的高层剪力墙住宅，易实现水平位移的控制。而对于楼层总数较多的高层超高层剪力墙结构，为满足地震以及风荷载作用下的水平位移要求，则需要设置更多剪力墙或者增加连梁高度。
　　四、周期比和位移比
　　周期比和位移比，是反映结构扭转效应的指标。周期比和位移比越大，结构扭转效应越明显，对结构越不利。周期比和位移比的控制，一般有两个途径：
　　1.提高结构角部刚度
　　提高结构角部刚度，能改善结构的抗扭性能，从而实现周期比和位移比的控制。在周期比算式中，提高结构角部刚度可使第一扭转周期值减小，使得周期比得以降低；在位移比算式中，提高结构角部刚度可使最大层间位移角减小，使得它与平均层间位移角的比值也相应减小。
　　2.减小结构中心部位刚度
　　通过减小结构平面中心部位的刚度，也可以实现上述目标。但在实际操作时，应注意不可过度减小中心刚度。因为位移比计算的前提是平面刚性假定，如果刚度减小过度，就会形成薄弱部位，与刚性平面假定不符，由此计算出的位移比指标也就失去了其本来的意义。
　　五、局部稳定
　　结构的整体稳定通过平面长宽比、高宽比、水平位移等指标来控制，局部构件的稳定，则需要满足特定的构造要求。高规中针对剪力墙肢的稳定性控制，给出了高厚比的限值，通过对剪力墙高厚比的控制，可以保证它在轴力作用下的稳定。剪力墙的稳定性是结构充分发挥承载能力的重要前提，因此应引起足够的重视。
　　六、连梁设计
　　高层住宅剪力墙结构中，因为房间尺度不大，墙肢之间常常出现跨高比较小的连梁，在计算过程中，容易产生连梁抗剪超限的情况，通常有以下几种解决方案：
　　1、加高截面，在梁宽一定的情况下，通过加高连梁截面的方法，可以提高连梁自身的抗剪能力。2、加宽截面，加宽截面和加高截面一样，也可以有效提高抗剪承载能力，却对连梁刚度的贡献较小，仅为线性关系，使得抗剪力的提高值大于分担剪力的增加值。因此加宽梁截面对于解决连梁抗剪超限是一个行之有效的方法。3、调整设计内力，在上述方法均不奏效的情况下，可以通过人为的内力调整，控制剪力分配比重，解决连梁抗剪问题。最简单的调控方法是在计算参数取值时，调整连梁刚度折减系数。
　　在人为调控的过程中，需要把握三个原则，一是始终要保证结构的整体效应，调整刚度折减系数或者按铰接设计以后，需要重新考查结构的各项指标，确保都位于规范限值以内，且宜保留一定的富余。二是要保证连梁的基本抗弯能力，在非地震荷载作用下，连梁应具备足够的抗弯和抗剪承载能力，以满足日常使用的需要。对于跨度较大的连梁，以及支承有次梁的连梁，应尤其重视这个问题。三是注意结构设计的一致性。连梁刚度人为折减过后，必然会导致其余墙肢和连梁分担的剪力加大，应对其余墙肢和连梁按加大后的内力进行构件设计。
　　七、经济性考察
　　在地产商业化日益成熟的今天，结构的经济性已成为结构设计必须考虑的因素。如何将有限的资源物尽其用，是值得结构工程师深思的问题。以普通高层住宅为例，因为户型布置的不规则性，往往出现较多阳角，为实现合理的结构布置，导致剪力墙数量较多，这个是无法避免的情况。如果对于所有剪力墙，均按高规要求进行截面控制，会导致墙肢太长，承载力富余较大，造成不必要的浪费。笔者认为，可以根据工程具体情况，灵活掌握尺度。对于烈度较低的小高层住宅，可以出现适量的短肢剪力墙，其所占比例可以从宽控制。这样不但直接减少了混凝土和钢筋用量，同时也减小了结构自重以及刚度，可以降低地震效应。由此产生的综合经济效益十分明显。
　　结语
　　高层住宅剪力墙结构设计，是一个复杂的系统工程，它要求设计人员具有扎实的理论基础和相当的工程经验。本文总结了一些设计要点和设计问题的处理方法，希望能对结构设计人员提供一些帮助和参考。
　　参考文献：
　　[1] 中华人民共和国行业标准. JGJ 3-2002高层建筑混凝土结构技术规程[S] 北京：中国建筑工业出版社，2002.

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