摘要：随着剪力墙结构的广泛应用，如何在设计过程中使经济合理的结构方案已成当务之急。笔者结合多年工程设计中的切身体会，针对当前剪力墙结构设计中存在的诸多弊端，提出了一些对应性的见解：首先，在初步设计阶段，结构设计人员应该介入，参与建筑方案设计，结构专业为辅助专业，在建筑设计方案时应考虑由结构专业定案；其次，应当注意剪力墙结构的布置合理性。例如，剪力墙宜均匀布置，尽量使建筑物的质心和刚心趋于重合，且减少一字墙的使用，应该是尽量控制在8以上，且不宜过长。
关键词：剪力墙结构；结构设计；整体抗扭转；短肢剪力墙；连梁
随着国民经济的逐步发展，人们对于改善居住环境的欲望越来越强烈，而住宅工程质量的优劣直接关系到人们的生命安全。住宅质量的好坏主要由设计质量和施工质量两个方面来控制。工作5年多以来，因单位性质接触到的住宅设计工程较多，作为一名结构设计人员，深刻感觉到住宅结构设计是一项繁重而又责任重大的工作，直接影响到建筑物的安全、适用、经济性。
住宅根据不同的结构体系，常规的结构形式有砖混结构，框架结构，剪力墙结构以及异形柱结构、框架剪力墙结构。近几年来，随着科学水平和国民经济水平的提高，高层甚至超高层住宅大量涌现，在高层住宅方面剪力墙结构被广泛的应用其中。如何设计经济合理的结构方案已成当务之急。由于目前的高层住宅结构设计大多数是根据已经确定好的平面和竖向布置，通过经验及常规做法假定结构构件尺寸，通过电算，再调整过多富余或者不满足规范要求的构件，另外，住宅布置有时候建筑考虑立面和内部空间，容易使结构出现一些不合理的地方。例如：某些剪力墙布置不均匀，产生刚度偏心和扭转；容易出现受力不好的一字墙或者短肢剪力墙，这些因素对结构整体刚度及抗震性能产生不良影响。因此我们在设计时必须强调概念设计，在平面布置和构造设计上使结构更趋合理，做到经济适用。
结构设计受制于建筑专业、业主；建筑设计专业、业主又大多不太精通结构；如《建筑抗震设计规范GB 50011~2010》第3.4.1条（强制性条文）规定：“建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案[1]”，第3.4.2条讲建筑平面、立面和竖向剖面宜规则[1]，作为结构设计人员，我的观点是：建筑（特别是高层建筑）设计方案应该由结构专业定案，但在国内实际上往往无法实施。有一个典型的例子相信大家都应该知道：国际大师林同炎设计的尼加拉瓜马那瓜市18层美洲银行采用对称布置的剪力墙核心筒结构，在1972年12月23日6.5级地震（9度）中只有8～17层核心筒体的连系梁上有轻微的斜裂缝，其它都完好，而相距很近的15层中央银行采用双柱框架（框架梁跨度达12.50m）结构并将两个电梯井筒偏置在一端，破坏严重，修复费用高达房屋造价的80％，这充分证明结构概念设计的重要性。
其次就是结构的布置合理性。《建筑抗震设计规范》3.4.2条规定：建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性[1]。实际工程设计中多次证明，这样布置的建筑物对结构来说是相当好的，计算指标也很纯粹很好。下图所示的是本人做过的一个大高层（30层）住宅，7度区，3类场地。由于建筑的对称性以及结构墙肢的布置较合理（剪力墙的截面面积与楼层建筑面积之比控制在7.2%左右），计算的各项指标都较好：
X方向最大值层间位移角：1/2054.
Y方向最大值层间位移角：1/1866.
剪力墙布置必须均匀合理，使整个建筑物的质心和刚心趋于重合，且X、Y两向的刚重比接近。在结构布置应避免一字形剪力墙，若出现则应布置成长墙（h/w>8）；应避免楼面主梁平面外搁置在剪力墙上，若无法避免，则剪力墙相应部位应设置暗柱，当梁高大于墙厚的2.5倍时，应计算暗柱配筋，转角处墙肢应尽可能长，因转角处应力容易集中，有条件两个方向均应布置成长墙，实践证明在建筑物的两端布置长剪力墙对结构的整体抗扭转是非常有效的。
第三点就是配筋及构造。现在开发商对节约建造成本这一方面要求也越来越高，反映到造价经济性上，最主要的就是结构专业的设计。对于高层住宅来说，剪力墙是面广量大的，因此合理的控制剪力墙配筋对于结构安全及工程的经济性具有十分重要的作用。
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①剪力墙墙体配筋（以200厚墙体为例）一般要求水平钢筋放在外侧，竖向钢筋放在内侧。配筋满足计算及规范建议的最小配筋率即可。我们一般采用加强区Φ10@200，非加强区Φ8@200双层双向即可，双排钢筋之间采用Φ6@600×600拉筋。但地下部分墙体配筋则另当别论。因为地下部分墙体配筋大多由水压力，土压力产生的侧压力控制，而由于简化计算经常由竖向筋控制，此种情况下为增大计算墙体有效高度，可将地下部分墙体的水平筋放在内侧，竖向钢筋放在外侧。地下部分墙体钢筋保护层按《地下工程防水技术规范》第4.1.7条规定：迎水面钢筋保护层厚度不应小于50mm，且在保护层内按《混凝土结构设计规范》第9.2.4条规定增设双向钢筋网片[2]。在这种情况下，进行外墙裂缝验算时有效截面高度仍按保护层50mm计算是不妥当的。当采取了双向钢筋网片后，计算保护层厚度至少可按30mm来取值，这对节省墙体配筋效果相当明显。
②剪力墙按规范应设置边缘构件，一、二级抗震设计的剪力墙底部加强部位及其上一层的墙肢端部应设置约束边缘构件[1]；其余剪力墙应按《高层建筑混凝土结构技术规程》第7.2.17条设置构造边缘构件。这里仅就构造边缘构件的配筋作一点讨论。个人认为首先要区分剪力墙的受力特性及类别，即：普通剪力墙（长墙），短肢剪力墙，小墙肢和一个方向长肢墙而另一方向属短肢墙来区别对待配筋。对于普通剪力墙，其暗柱配筋满足规范要求的最小配筋率，建议加强区0.7﹪，一般部位0.5﹪。对于短肢剪力墙，应按高规第7.1.2条控制配筋率加强区1.2﹪，一般部位1.0﹪；对于小墙肢其受力性能较差，应严格按高规控制其轴压比，宜按框架柱进行截面设计，并应控制其纵向钢筋配筋率加强区1.2﹪，一般部位1.0﹪[3]。
③剪力墙中的连梁跨度小，截面高度大，在地震作用下弯矩、剪力很大，有时很难进行设计，如果加大连梁高度，配筋值有时反而更大。连梁高度一般是从洞顶算到上一层洞底或从洞顶算到楼面标高。对于门洞，上述所示情况梁的高度是一样的；但对于窗洞，连梁高度如果从窗洞算到上一层窗底，有时则高度太高，这样高跨比太大，并且与计算图形不符，相应配筋亦较大，不太合理。我们在设计中一般采用连梁高度计算与设计统一规定从洞顶算到楼板面或屋面，对于窗洞楼面至窗台部分可用砖或其他轻质材料砌筑。对于窗台有飘窗时，可再增加一根梁，两根梁之间用砖填充。连梁配筋应对称配置，腰筋同墙体水平筋。
④目前，很多剪力墙结构在剪力墙的楼层处均设置暗梁，而对暗梁的作用及配筋亦各有理解。我个人观点是对于框架-剪力墙结构，如剪力墙周边仅有柱而无梁时，则设置暗梁，并且要求剪力墙两端是明柱，这是因为周边有梁柱的剪力墙，抗震性能要比一般剪力墙要好。剪力墙结构则没有这方面的要求，在墙板交接处设置暗梁对加强墙体整体性作用还是有的，但究竟有多大则无从确定。
第四点谈一谈剪力墙结构中不容回避的短肢剪力墙设计。其一是对普通长墙的界定，《高规》JGJ3-2010第7.1.2条中规定一般剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比大于8的剪力墙，短肢剪力墙是指截面高度与厚度之比为5～8的剪力墙。这就给我们带来一个困惑，高厚比为7.9倍及8.1倍的两种墙受力特性截然不同，由此而引起的配筋亦大相径庭（对四级剪力墙而言，短肢剪力墙在一般部位的配筋率要求大于1.0%，而普通墙则仅要求边缘构件配筋率0.4%，墙身部分配筋率仅为0.2%。），感觉这似乎显得有点机械。实际工程中一般布置长墙时高厚比控制在大于9，这样就与短肢剪力墙有所区分而不会混淆。其二是关于小墙肢《高规》JGJ3-2010第7.2.5条规定矩形截面独立墙肢的截面高度不宜小于截面厚度的5倍，因为当墙肢高厚比较小时受力特性是脆性破坏，属抗震不利构件[3]。因此在剪力墙结构设计中应尽量避免次类构件的出现，特别是高厚比小于3的小墙肢应不出现。如果出现，建议一种办法是按构造柱考虑，不作为抗侧力构件；否则应按框架柱设计，尽量降低轴压比，加强配筋，这在前面第三点中也论述过。
总之，高层剪力墙住宅结构设计时如何把握好合理性，经济性至关重要。在规范允许范围内，合理把握关键部位及次要构件，什么地方应加强，什么地方可以放松，对于整个建筑物保证安全及降低造价影响巨大，这也是在今后的设计中要不断提高及改进的。以上仅是本人对剪力墙结构设计的一些自己的理解，难免有片面性。在今后的设计过程中，应以规范为依据，不断总结，使结构设计更经济合理!
参考文献：
[1]建筑抗震设计规范[S].GB50011-2010
[2]地下工程防水技术规范[S].GB50108-2008
[3]高层建筑混凝土结构技术规程[S].JGJ3-2010
论文作者:许统郁
论文发表刊物:《基层建设》2017年5期
论文发表时间:2017/6/21
标签：剪力墙论文; 结构论文; 构件论文; 截面论文; 墙体论文; 高度论文; 钢筋论文; 《基层建设》2017年5期论文;