摘要：随着我国房地产市场的蓬勃发展与人民生活水平的提高，高层住宅的建设如雨后春笋般涌现在各大城市中。高层住宅设计几乎是各大设计的院的主要业务板块。而剪力墙结构为高层住宅最常规与经济的结构体系，为每位结构设计人员必须熟练掌握的业务技能。在保证安全性的前提下，建设方往往对住宅的经济性较为关注，甚至将结构的每平米含钢量都写入设计合同中，可见住宅结构经济性的重要性。高层剪力墙结构规范条文较多，设计工期往往较为紧张，相信每位从事住宅设计的结构工程师都深有体会。本文从大量实际工程中总结出规律与经验，探讨了基于合理性与经济性的高层剪力墙结构设计方法。
关键词：高层剪力墙结构设计；经济性；合理性；抗震性能；
引言
鉴于高层剪力墙结构已广泛应用于工程建设中，使得从事结构专业的设计人员，必须熟练掌握剪力墙结构的设计技能，以适应工作需要。住宅结构设计工期紧张，规范条文多，经济性要求高，其设计难度相对较大。相信每位从事结构设计的人员都深有体会。本文作者结合其十余年设计经验，参考大量工程实例，查阅了大量资料，进行大量的数据比对分析，精心编写成此文。希望能对从事剪力墙设计工作的工程技术人员有一定的帮助作用。
1.高层剪力墙结构设计概述
高层剪力墙结构体系是一种广泛使用且技术极为成熟的结构体系。要做好设计工作，在保证安全性的前提下，控制含钢量及整体造价也是十分必要的。
首先是房屋整体高度的控制。现行国家设计规范（如《建筑抗震设计规范》、《高层建筑混凝土结构技术规程》，下文中的“规范”一词，多指这两本规范）中明确规定，房屋高度是指室外地面到建筑主要屋面的高度，像电梯机房、水箱间这类房屋的高度是不算在内的。对剪力墙结构而言，各设防烈度下，当房屋高度大于80m时，抗震等级会普遍提高一级。这一提高会极大的影响整体造价，因为会带来钢筋锚固长度、最小配筋率、设计增大系数等措施的提高。故剪力墙结构一般要保证建筑高度小于80m。
第二，合理的剪力墙平面布置是一个剪力墙结构体系成功与否的关键因素。布置时要掌握“刚柔并济”的原则。所谓“刚”，就是结构中不宜削弱或应当加强的地方；所谓“柔”就是结构中可以适当削弱的部分。笔者认为，剪力墙结构中应当加强或不宜削弱的部分，主要集中在楼、电梯井筒的位置。楼梯井筒由于楼梯结构自身的特点，水平构件并不连续，不像正常楼层板处，楼板可以充当剪力墙的支座。电梯井筒处更是如此，因此处从上至下均无楼板。因此笔者强烈建议对楼电梯井筒处的剪力墙适当采取加强措施。具体措施可根据工程实际情况选择加厚墙体、加强墙体、边缘构件配筋等等，以提高墙体自身的承载能力。对于山墙为保证结构整体的抗扭刚度，也不宜过分削弱。对于其他部位，可根据工程实际情况，选择增设施工洞、减弱连梁刚度、调整剪力墙体长度等措施进行削弱。在满足现行规范的前提下，剪力墙结构不宜设计得过“刚”（整体刚度过大）。过“刚”的剪力墙会吸收更大的地震力，不仅造成浪费，还可能存在安全隐患。
第三，合理的楼板结构设计。住宅结构的楼板受其开间影响一般不会过大，结构设计人员应当善于利用隔墙，合理设置梁来分隔板块。尽量避免“大板”情况的出现。因为板厚是结构自重的重要组成部分，结构自重偏大会影响基础、竖向构件、水平构件的结构设计，还会增大地震力，造成不利影响，大大增加结构工程造价。过大的板块也会造成楼板配筋量大大增加。而楼板的钢筋含量是结构整体钢筋含量的重要组成部分。因而笔者认为，合理的楼板设计是住宅类结构经济性设计的关键和重要因素。
此外，嵌固端的选取及底部加强区的确定等因素也十分重要，下面会有专门章节阐述。
2.高层剪力墙结构嵌固端的选取
规范中规定，如采用地下一层顶板作为结构嵌固端，那么地下一层的侧移刚度宜大于首层的两倍。应当注意，并不是所有的住宅都能满足这一要求。根据笔者实际的工程经验，只有不与大底盘车库相连的“独栋住宅”，即有独立的地下室，地下室四周挡墙均有回填土约束的住宅，才有可能出现嵌固于地下室顶板的情况。像与大底盘车库相连的住宅，往往四周均无回填土约束，且由于车库净高要求，地下部分层高往往大于地上一层层高，这种情况就无法嵌固于地下室顶板。嵌固端往往定在基础顶。或是像半地下室及三边有回填土的情况，嵌固端的选取也需要注意。嵌固端选取不当会影响结构的抗震性能，造成极大的安全隐患，这点值得结构设计人员特别注意。
3.高层剪力墙底部加强区的确定
确定了嵌固端后，就要考虑底部加强区的问题。要知道规范中是规定底部加强区是从嵌固端算起的，如嵌固端在地下室顶板，底部加强区才从地下室顶板开始算起。对于嵌固于基础顶的情况，那么地下部分的剪力墙均属于底部加强区的范围。设置底部加强区的目的，在于避免剪力墙结构的脆性破坏，增加延性，控制墙体墙肢底部塑性铰产生的部位，从而改善整体结构的抗震性能。规范中规定了对剪力墙底部加强区的一系列加强措施，如加厚墙体，加强边缘构件，考虑增大系数等等，足见其重要性，这点值得结构设计人员特别注意。
4.高层剪力墙中的短肢剪力墙
众所周知，短肢剪力墙抗震性能差，属于抗震中的薄弱构件。于是很多结构设计人员视其为洪水猛兽，不区分实际情况，一概刻意地去规避。机械的套用规范条文，打擦边球。如墙厚为200mm，故意将墙长设为1650mm，从而避免出现短肢剪力墙。笔者认为，这种理解是片面且错误的。适当的设置，合理的结构布置的前提下，短肢剪力墙也可以是整个结构抗震体系的一部分，虽自身身板单薄，但采取规范中的一系列加强措施，如增大墙厚、加强配筋、考虑增大系数等等，完全可以满足结构整体抗震性能要求。只有B级高度和9度区的A级高度剪力墙，才考虑规避短肢剪力墙的设置。
当然短肢剪力墙的设置也不可走极端，无底线的设置。规范中明确规定，短肢剪力墙部分承担的底部倾覆弯矩比例，在规定水平力的作用下不宜大于整体总地震倾覆力矩的50%。这可以理解为短肢剪力墙结构的“底线”。笔者认为，过多的短肢剪力墙设置会过分削弱整体刚度，且因其各种加强措施的存在，可能会影响结构的经济性。所以笔者建议在实际设计中，将上述这一数值提高到小于整体总地震倾覆力矩的30%。即整体结构体系不属于“短肢剪力墙较多”的情况，相对合理。
短肢剪力墙布置时要注意尽量布置成带翼墙的形式（L型、T型）。L型、T型两方向不宜全为短肢剪力墙，布置时至少保证一个方向为一般剪力墙肢，如图A。注意一字墙如通过强连梁（跨高比≤2.5，连梁高度≥400mm），且其开洞面积不大于墙体面积的16%时，可视为不开洞的剪力墙。如此时整体墙段墙长与墙厚之比大于8，则可视为一般剪力墙。
5.关于高层剪力墙中的连梁设计：
剪力墙中的连梁是连接各墙肢协同工作的重要构件，也是地震时结构重要的耗能构件。需要一定的承载力、刚度与延性。首先应明确其定义，规范中规定连梁是跨高比≤5的构件。跨高比大于5的连梁，笔者建议按框架梁建模。在结构计算时要考虑连梁在地震反复荷载作用下，因连梁开裂产生的刚度折减，这一折减系数不宜小于0.5。在设计连梁时，要特别注意“强连梁”（即跨高比≤2.5）的构件，因为这种构件破坏时属于延性较差的“剪切破坏”。在设计时要采取可靠的加强措施，并加强与之相连的剪力墙墙肢的配筋。连梁也不宜做得太弱，高度一般不小于400mm。连梁的抗震等级同剪力墙的抗震等级。其混凝土强度等级（包括计算时按框架梁考虑的情况）均同剪力墙，这一点一定要在施工图纸中交待清楚。连梁作为主要的耗能构件，设计时应尽量避免作为楼面的支撑梁，可采取设置过渡梁的措施，改变与楼面的支撑关系。如图B。
6.正确理解与设计剪力墙及边缘构件的构造配筋：
剪力墙结构各层墙体中，特别是底部加强区以上的标准层墙体，很多墙体及边缘构件是构造配筋的。规范中对于剪力墙及边缘构件配筋相关的条文较多，但这部分内容并无过于复杂的计算，笔者建议这部分条文，每位从事住宅结构设计的人员都应该重点理解与掌握，并具备依据规范快速、正确的计算诸如墙体配筋，边缘构件体积配箍率、纵筋配筋率的能力。很多国标图集与结构设计手册上，也给出了这些配筋结果。计算后应与这些结果进行比对、复核。并配合电算结果，合理地对这类构件进行设计。对于约束边缘构件中的非阴影区部分（即规范中提出的“λv/2”区域），应该在结构平面图中注明布置范围，并给出详细明确的做法说明。要注意边缘构件设计中的特殊情况，如存在集中力的时，这时是要按框架柱复核其配筋的。
7.剪力墙墙体稳定与平面外承载力验算：
高层剪力墙中底部楼层可能存在墙体稳定超限的情况，这一点在设计中应当格外引起重视。特别对于底部楼层较高、墙体无支长度较长以及一字型墙体尤其应当注意验算。对于此类构件，笔者建议对相应墙肢从计算软件中提取设计值，按规范要求进行手算复核。
同时剪力墙平面外承载力验算也应引起重视。特别对于图C中的情况，笔者建议提取墙肢承载力设计值进行手算复核，并应当进行适当的加强。对于图D中的情况，笔者建议设计时应避免采用。
结束语
做好高层剪力墙的结构设计工作，是建立在正确理解与应用规范的基础之上的。在保证安全性的前提下，经济性设计优化也很重要，合理的设计，避免不必要的浪费。如控制整体高度，剪力墙布置，合理设置楼板等等，都可以起到良好的经济效果。正确设置剪力墙嵌固端，合理设置底部加强区。关注结构平面中短肢剪力墙的设置，合理设置连梁，对于墙体、边缘构件等重要构件进行必要的手算复核。注重结构平面中薄弱墙肢的承载力验算。对于做过工程及时总结归纳，进一步提高自身设计水平与能力。希望本文能对从事住宅结构设计的同行有所帮助。
参考文献：
[1]GB50011-2010（2016年版） 建筑抗震设计规范
[2]JGJ3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程
[3]建筑结构设计问答及分析（第二版） 中国建筑工业出版社 2009
论文作者:王岩
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/1/22
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