剪力墙结构的特点及设计注意事项之物理论文

　　摘要：本文物理论文分析了剪力墙结构的受力特点，结构规范及概念设计的具体要求，对剪力墙结构设计的注意事项做一简单总结。
　　关键词：剪力墙结构，平面布置，竖向布置，抗侧刚度，构造要求
　　论文正文
　　利用建筑物墙体作为建筑的竖向承重体系，并用它抵抗水平力，这种结构称为剪力墙结构体系，同时，墙体亦作为维护及房间分隔构件。剪力墙的间距一般都在3~8米，适用于要求小开间的住宅、公寓及酒店式公寓等建筑。现浇钢筋混凝土剪力墙结构由于其整体性好、刚度大，因而在水平力作用下侧向变形小，由于墙体截面面积大，强度也比较容易满足，适合建造高层建筑的要求，在30层以下的高层建筑中应用比较广泛。
　　高层剪力墙结构承受的竖向荷载大，同时还要承受大的水平风荷载和地震作用，房屋的总高度虽然很高，但由于建筑日照要求进深尺寸和一般建筑差不多，因此造成高层建筑高宽比大，受力大，变形大，产生的次应力也比较大，而且，对一般建筑影响不大的因素，如温度、收缩和徐变等在高层建筑中将产生的一些影响将不容忽视，在方案设计阶段就应该注意这些特点。
　　剪力墙结构的平面布置，一般考虑以下原则：1.应满足建筑使用要求，这是最基本却是最重要的，因为我们结构设计所进行的一切工作，最终都是为了要实现建筑的使用功能。2.提高结构的总体刚度减少位移。随着人们生活水平的提高，人们对居住环境的舒适性要求越来越高，位移过大会造成人们的心里不安全感。3.考虑抗震要求，尤其是抗震构造措施的要求。4.考虑沉降、温度收缩及房屋体型复杂等因素对建筑的影响，合理布置和处理沉降缝、伸缩缝合防震缝。对于剪力墙结构的布置，《高规》7.1.1条明确规定，其布置应符合（1）.平面布置宜简单、规则，宜沿两个主轴方向或其他方向双向布置，两个方向的侧向刚度不宜相差过大，抗震设计时，不应采用仅单向有墙的结构布置。（2）.宜自下到上连续布置，避免刚度突变。（3）.门窗洞口宜上下对齐、成列布置，形成明确的墙肢和连梁；宜避免造成墙肢宽度相差悬殊的洞口设置；抗震设计时，一、二、三级剪力墙的底部加强部位不宜采用上下洞口不对齐的错洞墙，全高均不宜采用洞口局部重叠的叠合错洞墙。单片墙的长度不宜大于8米，一方面剪力墙的长度太长，将使结构的周期过短，地震力太大，很不经济；另一方面剪力墙应该是高细的，呈受弯工作状态，才能使剪力墙具有足够延性，否则，剪力墙太长，形成低矮墙，就会由受剪承载力控制破坏状态，剪力墙呈脆性，不利于抗震。
　　根据建筑的空间要求和结构的概念设计要求布置剪力墙，到底应该布置多少墙呢？布置的墙过少了，结构的刚度过小，在水平作用力的作用下，结构将产生过大的位移，还有可能引起比较大的二阶效应，布置的墙过多可，无疑将增大结构的侧向刚度，地震作用也将加大，而且给基础造成的负担也加重，肯定是不经济的。一般，可以由结构的位移比、基本周期、剪重比来综合衡量。剪力墙的厚度可以根据《高规》7.2.1或者《抗震》6.4.1条的要求，并考虑轴压比的限值，具体可以参照《高规》7.2.13条要求执行。
　　对于竖向的剪力墙，《高规》3.5.1规定，高层建筑的竖向体型宜规则、均匀，避免过大的外挑和收进，而且《高规》3.5.3对结构的竖向规则性做了明确的规定。结构的侧向刚度宜下小上大，逐渐均匀变化。具体设计时，普通剪力墙结构的剪力墙应在整个建筑的竖向延续，上应到顶，下要至底，中间楼层也不要中断，剪力墙结构不连续会使结构刚度突变，对抗震非常不利。对于框支剪力墙及转换剪力墙结构，应该《高规》第十章的具体严格执行。为避免普通剪力墙结构的刚度突变，剪力墙结构的厚度应该按阶段变化，每次厚度减少宜为50~100mm，使剪力墙刚度均匀连续改变。厚度改变和混凝土强度等级的改变宜错开楼层。为减小上下剪力墙结构的偏心，一般情况下厚度宜两侧同时内收。围墙为保持外墙面平整，可以只在内侧单面内收，电梯井因安装要求，可以只在外侧单面内收。
　　整体墙和整体小开口墙，在荷载作用下，剪力墙水平截面内的正应力分布在整个墙截面高度范围内呈线性分布或接近于线性分布，仅在洞口附近局部区域有应力集中现象。这是剪力墙犹如一根竖向悬臂梁，在水平力作用下墙肢截面内的应力及墙肢变形可以用材料力学计算。当门窗洞口稍大时，两个墙肢的应力不再是直线分布，但是偏离不大，可在应力直线分布的基础上加以修正。双肢墙和多肢墙，由于洞口较大，剪力墙是一系列由连梁约束的墙肢所组成，可以用连梁连续化方法近似计算。当剪力墙的洞口尺寸较大，甚至于洞口上下梁的刚度大于洞口侧边墙的刚度时，剪力墙的受力特性接近于框架，但它又不是普通的框架，因为此时梁、柱截面尺寸较大，在墙肢与连系梁的交结区有刚域存在，可简化为带刚域的框架，用D值法计算。如下图所示：
　　所以一般在剪力墙的具体设计时，要求洞口宜上下对齐，成列布置，使剪力墙形成明确的墙肢和连梁。成列开洞的规则剪力墙传力直接，受力明确，内力分布清楚，因而经济指标较好，地震中不容易因为复杂应力而产生震害；错洞墙洞口上、下不对齐，受力复杂，洞口边容易产生显著的应力集中，因而配筋量增大，而且地震中常发生震害。剪力墙相邻洞口之间以及洞口与墙边缘之间也要避免小墙肢，墙肢宽度与厚度之比小于3的小墙肢在反复荷载作用下，比大墙肢早开裂、早破坏，在剪力墙具体设计时，对于这种小墙肢应该按框架柱的构造要求执行。
　　水平力作用下，整体墙和整体小开口墙受力类似与竖向悬臂结构，根据剪力墙结构的受力特点，在计算的时候，一般可以按平面结构假定地算。楼盖结构在其自身平面内刚度无限大，而在平面外的刚度很小，可以忽略不计，这样，楼盖将各片剪力墙连成一体，共同抵抗水平力，在楼盖平面内有相对位移，当结构有扭转时，楼盖只能做刚性转动。各片剪力墙在其自身平面内刚度很大，在其平面外的刚度很小可以忽略不计，这样就可以将整个结构划分为若干平面结构，共同抵抗与平面平行的水平荷载，垂直于平面方向的结构不参加受力，即横向水平力由横墙承受，纵向水平力由纵墙承受。当两片剪力墙正交时，计算一个方向的剪力墙受力，另一方向剪力墙的一部分可以作为翼墙予以考虑，这样计算更符合实际，因为纵横墙在其交结面上位移必须连续，在水平荷载作用下，纵墙和横墙是共同工作的。在结构设计的时候，不考虑扭转影响的情况下，各片剪力墙承担的剪力是按其刚度的大小分配的。在竖向荷载作用下，作用是靠楼板传递到墙的，根据楼板是单向板或双向板受力确定楼板上的荷载是一个或两个方向传递给墙，各片墙的竖向荷载按其受荷面积计算。竖向荷载除了在连梁内产生弯矩外，在墙肢内主要产生轴力。Pkpm在计算时，一般采用有限元理论分析，采用壳元来模拟剪力墙的受力状态，在四节点壳元的基础上，采用静力凝聚原理构造了一种超单元，每个节点有六个自由度，其中三个平动自由度，三个转动自由度，墙元不仅具有墙所在平面内的刚度，也具有平面外刚度，可以较好地模拟工程中剪力墙的真实受力状态。
　　在剪力墙结构中，剪力墙布置的长短、位置对结构的整体信息都有较大的影响，尤其是周边地方的剪力墙，一定要根据建筑的功能布局考虑，充分发挥剪力墙结构自身的优势，做到结构布置合理，传力直接。经过结构软件分析后，根据总体信息，包括周期、位移、轴压比及各层配筋具体情况、超配筋情况，经过多轮的优化调整，就相对比较优化。
　　在施工图绘制的工程中，对于暗柱的配筋，不能单看各层构件的配筋，而要根据边缘构件的情况，结合体积配箍率及抗震构造，尤其是对于底部加强区的约束边缘构件，箍筋的直径、肢距、竖向间距及纵筋的面积配筋率一定要注意满足《高规》、《混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图》11G101-1和《建筑物抗震构造详图》（多层和高层钢筋混凝土房屋）11G329-1的要求。对于梁的配筋，根据软件的计算结果分析采用，再根据《高规》或《抗规》构造要求配筋。对于跨高小于5的梁按连梁设计，配筋的构造措施按《高规》7.2.27的要求，对于跨高比小于2.5的连梁，一定要注意其附加腰筋要满足要求；对于跨高比大于5的梁按框架梁的构造要求执行。
　　剪力墙结构的基础部分和一般高层的一致，天津地区一般采用灌注桩，布置桩的时候，尽量保证桩的整体中心和结构的刚心重合，而且要验算桩抗压承载力，桩身的承载力、抗震情况下的承载力。总之，剪力墙结构的高层现在越来越多，计算水平及手段也越来越成熟，作为一个结构工程师我们要不断学习，将新的理念及研究成果应用到具体工程实践中，同时多分析一些同行的优秀设计，多和同行沟通交流，多向经验丰富的老专家请教，设计的明天一定会一天比一天好，希望我们大家一起努力！
　　参考文献：
　　1.《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中华人民共和国住房和城乡建设部发布。
　　2.《建筑抗震设计规范》GB50011-2010中华人民共和国住房和城乡建设部和中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局联合发布
　　3.《混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图》11G101-1中国建筑标准设计研究院
　　4.《建筑物抗震构造详图》（多层和高层钢筋混凝土房屋）11G329-1中国建筑标准设计研究院
　　5.《高层结构设计》赵西安编著中国建筑科学研究院
　　6.《高层建筑结构设计》黄子云袁志华主编中国铁道出版社