【摘 要】本文对最为常见的高层住宅剪力墙结构设计要点进行了系统性的论述，并提出了自己的观点。详细阐述了剪力墙结构设计中需要掌握的要点：包括剪力墙的分类及受力分析、剪力墙设计中结构规范所要求遵循的基本原则、剪力墙构件合理布置、剪力墙构件计算等等。
【关键词】剪力墙；结构设计；布置；计算
现阶段我国高层住宅主要结构形式均为剪力墙结构，《高层建筑混凝土结构技术规程》仅对剪力墙结构基本布置原则、计算数值规定和相应的构造措施做了说明。但在操作细节上并没有很明确的规定，实际设计时很难落实。下面就剪力墙结构设计要点分析及提出个人意见。
1、剪力墙类别
根据洞口大小划分，我们通常还根据墙肢截面高度与墙厚的比值来对剪力墙进行分类：高度与墙厚之比大于等于8，是结构计算常规意义上的普通剪力墙。高度与墙厚之比等于5~8之间，为短肢剪力墙；高度与墙厚之比小于等于3，我们基本上把它看做结构柱，又称异形柱。剪力墙结构体系是由纵向和横向结构墙和楼板组成，来抵抗竖向和水平荷载。剪力墙在其自身平面内刚度和平面外刚度相差很大，平面内刚度很大，平面外刚度很小。纵横墙共同工作，互为对方的有效支撑翼缘。这样，整个建筑水平地震荷载就可以按照与之相连的剪力墙的等效抗弯刚度的比例，进行地震力分配，从而根据地震力大小计算内力和位移。一般剪力墙或者短肢剪力墙，他的变形仍以弯曲变形为主，在整个墙肢高度上基本上没有或仅仅是在个别楼层上出现弯矩突变。而壁式框架，因为连梁线刚度与墙肢刚度接近一致，变形以剪切变形为主，受力特性类似于框架。
2、剪力墙结构设计原则
高层住宅结构均采用剪力墙结构，主要利用剪力墙抗侧向刚度大的优点。剪力墙具有较大的刚度，在小震下保持弹性，大震作用下连梁通过耗能吸收大量地震剪力，屈服后通过塑性铰保持协调变形能力，降低结构刚度，减少地震作用。高层住宅结构优化，主要是在保证结构安全前提下尽可能减少结构刚度从而减少地震作用。从结构设计角度来讲，刚度越强，抵抗地震能力更强。但是，无原则地增加剪力墙，虽然使结构刚度增强，但也会导致自重增加，地震作用增加。而且会导致工程费用上升，材料耗费增大，所以在结构刚度和经济性之间掌握好尺度，是好的结构设计关键。在满足建筑师的建筑条件要求的前提下我们可以采用如下方法：
（1）结构墙布置平面两个方向均匀，竖向构件尽可能连续。充分发挥材料的力学性能使其得以很好利用，优化后的结构受力更加合理。
（2）查看剪力墙结构试算结果，使结构的位移角接近规范限制，又不至于偏离太大，否则结构要么偏于不安全，要么布置保守，充分发挥剪力墙的抗侧向刚度优化后的结构要有利于抗震抗风，能够充分发挥剪力墙的抗侧刚度强的优点。
（3）核查计算结果，对计算结果进行判断，满足规范位移、周期的要求，并且核查底部剪力值在合理的范围内。若在初步结构布置方案模型试算上，发现层间位移角不满足规范要求，可以查看位移文件，核查位移角超限的结构节点，若是局部刚度偏弱，可以通过局部增设剪力墙和加大墙厚来解决，不可一味无原则地胡乱增设结构墙。
采用以上方法，使结构计算的周期比、位移比、层间位移角满足规范的要求，且不至于偏离要求太多，这样就能是结构刚度合适，且控制了地震作用力，降低了工程造价。
3、剪力墙概念设计
结构概念设计遵循此原则：遵循满足承载力要求、合适刚度、保证延性，我们可以采用以下方法。
（1）平面布置均匀：应尽可能在两个各方向上均匀布置剪力墙，使结构刚心和建筑质心尽可能重合，避免在地震作用下产生扭转效应。
（2）竖向布置均匀：竖向布置的结构构件也最好均匀、连续，避免出现竖向刚度突变和转换，如若建筑师要求，也必须保证上下剪切刚度、弯曲刚度和轴压刚度
的平稳连续均匀变化。
（3）传力途径直接：受力与传力途径设计得直接、简单，尽量避免传力途径复杂，重要构件宜防止二次传递，避免出现内力和变形不协调。
4、剪力墙结构布置
4.1剪力墙布置
剪力墙布置方案是否合理对整个结构的经济性指标有决定性影响。我们需要在满足建筑条件的基础上减少剪力墙数量，控制剪力墙长度，尽可能做到平面竖向规则，且尽可能减少无效的边缘构件数量，这样可以通过布置数量较少的剪力墙却获得足够的满足规范要求的抗侧、抗扭刚度。具体措施如下：
（1）使剪力墙长度合理，均匀布置仔细和建筑师协商建筑条件，在保证结构承载力的前提下，选择对结构承载和传力有利的隔墙位置布置剪力墙，根据规范要求拉大布置间距，最好把间距控制在4.5m~6m较为合适。减少剪力墙数量，适当保证墙肢长度，保证结构整体抗侧刚度，减少剪力墙类型，控制边缘构件数量。剪力墙变形以弯曲变形为主，为保证剪力墙具备一定的延性。我们只要保证轴压比满足规范限值，且剪跨比大于2，就能够控制剪力墙为延性的弯曲破坏。但我们需要注意，在一个结构平面单元中，剪力墙长墙、短墙比例要均匀，否则会当个别墙肢当其在地震力作用下首先发生破坏时，其余结构刚度较弱的剪力墙不能起到第二道抗震防线的作用，反而会导致重大安全问题。
（2）加强结构周边外围刚度，减少结构中心刚度，减少扭转效应如若可能，减少结构中部剪力墙数量，改善周期比、位移比指标，提高结构抗扭刚度。
（3）剪力墙边缘构件形状简单，走向明确尽可能呈现L形、一形、T形，减少复杂形状构件。在剪力墙平面布置时，应结合建筑条件，使剪力墙走向简单直接，减少不必要的转折，尽可能不设置小墙垛。
（4）平面内各剪力墙轴压比值相近在使用PKPM竖向荷载自动倒算，使得各剪力墙墙肢的轴压比数值接近，并和规范规定的结构抗震等级轴压比限值相差不大，通过荷载倒算，如若轴压比数值接近，说明剪力墙较均匀，布置合理。使每道剪力墙充分发挥竖向和抗水平承
载力，减少结构自重，减少地震力。
（5）剪力墙结构布置形成整体
应尽量使结构两个方向的剪力墙连续，通过连梁或框架梁把两方向剪力墙形成整体体系，使结构的整体抗侧刚度增强，从而花费较小的代价获得足够的刚度满足规范对层间位移角限值要求。
（6）刚度在竖向沿高度方向均匀变化
高层住宅剪力墙结构墙厚应沿建筑高度方向均匀变化，控制剪力墙轴压比，
减少高度方向上刚度突变，为满足底部剪力抵抗要求，保证墙体稳定和抗震延性，
在底部加强区适当增厚墙厚，避免为控制轴压比增设墙肢，沿着高度方向剪力墙
数量不变，厚度均匀梯次减少，刚度竖向均匀变化，尽可能减少刚度突变。
4.2梁、板布置
高层住宅结构，按照《建筑结构荷载规范》使用荷载一般很小，楼板配筋计算下来基本为构造配筋，板厚是楼板用钢量关键，板厚一般按挠度、裂缝及机电穿管决定，除开特殊情况，120mm厚板一般均能满足上述要求。
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楼层梁布置时，应保证梁传力路径简洁明确，尽量避免多重传递的情况。正常情况下不要设置过多的梁，一是影响建筑美观，二是增加造价。通过板厚控制梁的间距。连梁高度若非计算需要，不要设置成大截面，建筑洞口可以通过增设过梁来解决封闭问题。若是较小跨度的楼板上有建筑隔墙或开有小洞口时，可以不设置梁，可通过在板内增设加强钢筋予以解决。
综上所述，较为合理的剪力墙结构布置应该遵循如下原则：周边均布剪力墙，中间减少剪力墙，剪力墙墙肢分布均匀，连梁贯通连接剪力墙形成整体，楼板按照构造配筋，梁跨控制在5m以内。另外应结合建筑平面图，使结构构件与建筑需要有机结合，使剪力墙均匀、简洁。
5、剪力墙结构分析
5.1试算分析
先完全根据建筑条件，布设剪力墙，使两个方向剪力墙布置均匀，竖向刚度连续，初步结构模型以典型建筑平面标准层为基准搭设，通过PKPM软件进行根据建筑层数及层高简单组装；梁连接节点暂时按照两端铰接，不考虎地震作用（计算速度快）先通过荷载倒算快速求出墙肢轴压比，并且使得各剪力墙墙肢的轴压比数值接近规范限制，估算出剪力墙厚度，通过轴压比数值调整剪力墙结构长度、厚度及混凝土强度等级，并对结构初步模型进行修改调整，并和建筑各层平面一一核对后，修改其他构件连接方式使之符合实际受力情况，进行细部模型核算，并根据规范分析计算结果中的变形、周期计算指标是否满足要求。
5.2计算调整
若在初步结构布置方案模型试算上，发现层间位移角不满足规范要求，可以查看位移文件，核查位移角超限的结构节点，若是局部刚度偏弱，可以通过局部增设剪力墙和加大墙厚来解决，不可一味无原则地胡乱增设结构墙。若周期比出现扭转效应和规范冲突时，可采取以下措施：
（l）增设结构周边剪力墙数量，使结构外围刚度增加，减少扭转效应。
（2）查看核心筒结构布置，增设结构洞口，减少连梁高度，以改善结构的平动
效应。
（3）查看计算结果文件，对比结构空间振型曲线，找出位移偏离规范值的结构节点，适当进行结构加强。
5.3计算中若干问题的调整
（1）计算结果中连梁超筋情况怎么处理：在剪力墙住宅计算分析中，部分连梁超筋的情况非常普遍。主要根源在于连梁刚度过大，加大连梁高度一般适得其反，超筋情况会更加严重。有效的方法可以把连梁端部设为铰接，按照普通梁计算，或者加大连梁跨度或减少连梁高度，增大连梁的跨高比，减小与连梁相连的剪力墙刚度，减少其承载的地震力，从而使连梁内力减少，实现不超筋。若程序误判与剪力墙垂直相连的梁为连梁，需要我们手动根据实际情况修改，并把节点设为铰接。
（2）尽力消除剪力墙小墙垛，小墙垛在计算中经常超筋或者计算失真。实际施工图配筋无法操作。
（3）规范对短肢剪力墙有明确规定，有些工程师为了节省造价，人工控制剪力墙长度到短肢剪力墙长度限值边缘，是不可取的。短肢剪力墙数量在剪力墙总数量中不宜过多，否则抗震性能很难在整体计算中把握，当剪力墙局部构件承受地震力破坏屈服后，剩余构件可能因刚度不足连续破坏，起不到二道防线的作用。
6、剪力墙构件设计
剪力墙构件设计最主要的内容就是边缘构件设计。边缘构件分为约束边缘构件和构造边缘构件，处于剪力墙底部加强区的是约束边缘构件。为什么要设置底部加强区，因为剪力墙结构抵抗地震作用时，剪力墙底部承受的地震剪力最大，若底部出现破坏，首先会在剪力墙底部部位出现塑性铰，为保证底部区域进入塑性铰后仍具有足够大的延性，不至于立即破坏，我们在进行抗震设计时，对剪力墙底部区域可能出现塑性铰的部位予以构造加强，设置约束边缘构件，对这个容易出现塑性铰的底部区域就称为底部加强区。国内相关单位工程实验结果显示，剪力墙的边缘构件中的横向钢筋可以有效约束混凝土变形，提高混凝土轴心受压能力，大大增强了剪力墙的延性。
6.1剪力墙边缘构件的配筋要求
结构抗震规范将剪力墙边缘构件，按照布设位置的不同分为约束边缘构件和构造边缘构件两种类型，约束边缘构件位于底部加强区。两种边缘构件的构造要求、配筋区域及配筋范围、形式均不相同。
6.2结构计算超筋
工程师在设计过程中经常遇到超筋的情况，现阶段运用最广的设计软件PKPM。
混凝土梁超筋有以下几种情况：
（1）承载能力出现问题，当结构梁的计算出来的弯矩设计值大于梁的极限承载能力时，提示超筋。
（2）混凝土梁计算出的相对受压区高度与规范限值违背时，提示超筋，根据《混凝土结构设计规范》：四级及非抗震：ξ<=ξb ；二、三级：ξ<=0.35（计算时取As’=0.3As）；一级：ξ<=0.25（计算时取As’=0.5As）。当计算出的ξ值不满足规范要求时，显示超筋；
（3）《建筑抗震设计规范》对梁的配筋率有强制要求，纵向受拉钢筋的最大配
筋率2.5%，当计算配筋大于此值时会显示超筋；
（4）根据《建筑抗震规范》混凝土梁斜截面抗剪计算要满足最小截面的要求，
即最小截面要求，如若不满足，就会提示超筋。
同样，剪力墙计算配筋超筋也有以下几种情况：
（1）提示剪力墙暗柱配筋超出规范允许值：PKPM软件对暗柱默认最大配筋率是按照4%控制的，而抗震规范均均只对约束边缘构件和构造边缘构件的配筋率有明确规定，对整个墙肢没有最大配筋率要求，遇到此种情况，可以对问题进行
实际分析。
（2）计算结果经常遇到水平筋超筋，正常判断为该剪力墙抗剪出现问题，一般
情况下可以加密水平筋间距解决。
（3）剪力墙连梁超筋非常常见，一般情况下是抗剪不够，连梁刚度过大，导致
地震剪力过大，规范允许对连梁刚度进行折减，允许连梁塑性变形。如若折减后仍然超筋，可以适当减少连梁高度或者增大结构洞口来解决超筋问题。
总之，结构设计是一个系统工程，集深入细致的结构分析、比对方法、及相关专业规范知识及计算机技术于一体的综合性工作，也是专业性很强的工作。对现阶段的剪力墙结构设计工作，能够深入掌握相关结构规范精髓、合理选择结构方案、充分论证计算结果、在保证结构安全的前提下控制工程造价，是每一个结构工程师追求的目标。
参考文献：
[l]高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3 - 2010）.中国建筑工业出版社，2010.
[2]混凝土结构设计规范（GB50010 - 2010）.中国建筑工业出版社，2010.
[3]建筑抗震设计规范（GB500ll- 2010）.中国建筑工业出版社，2010.
论文作者:庞宪委
论文发表刊物:《低碳地产》2016年6月第11期
论文发表时间:2016/11/16
标签：剪力墙论文; 结构论文; 刚度论文; 构件论文; 位移论文; 均匀论文; 边缘论文; 《低碳地产》2016年6月第11期论文;