剪力墙结构的抗震设计探讨

【摘要】剪力墙结构是高层建筑中常用的一种结构形式。本文就高层建筑剪力墙结构抗震设计中的几个问题进行探讨。

【关键词】剪力墙结构；结构优化；设计

引言

随着社会的发展，城市化进程的步伐不断加快，高层建筑、超高层建筑是城市发展的必然趋势。在建设高层建筑的过程中，剪力墙结构因为具有较高的抗压与载重能力而受到业界人士的广泛关注，是建筑工程中最常见的一种结构形式。但是在实际工作中，由于各种建筑物的具有不同的使用功能，因此在建设过程中，很多施工环节都没有满足设计要求，甚至是在设计阶段都已出现了各种问题，导致搞成建筑的抗震性达不到设计要求，最终影响到其正常使用。

一、剪力墙的合理布置

1.1剪力墙的平面布置

（1）在抗侧刚度、抗扭刚度满足规范要求的前提下均匀布置长墙，减小剪力墙和边缘构件的数量，有效控制结构用钢量。剪力墙的最大长度以结构中震弹性分析时墙肢的名义剪应力不超限为原则，且不大于8m，最小长度为墙肢厚度的8倍。

（2）两个主轴方向的侧向刚度基本接近，结构最大层间位移小于并接近1/1000的规范限值，在满足规范各项要求的前提下减少结构地震作用效应

（3）两个方向的剪力墙互为翼墙，形成L、T、十字形，分别抵抗两个主轴方向的地震剪力和梁端弯矩。

（4）剪力墙可采用跨高比大于5的框架梁连接的单肢墙，也可采用跨高比小于2.5的强连梁连接的联肢墙。单肢墙在中震弹性分析时较少出现名义剪应力超限的情况；墙身、边缘构件的配筋也大多按照构造设置，其经济性较好，但连接单肢墙的框架梁应该具有足够的刚度协调两端剪力墙的变形，并作为结构的耗能构件。在较长墙肢上开洞口形成的联肢墙具有弯曲破坏的延性变形特征，连梁具有良好的耗能能力。但联肢墙的连梁在中震作用下名义剪应力普遍超限，墙肢也常出现名义剪应力超限的情况；联肢墙的墙身、边缘构件和连梁的配筋率往往很高。为减少联墙肢和连梁的名义剪应力超限和边缘构件配筋过大的情况，受力较大的联肢墙的连梁的剪跨比不应小于1.5。

剪力墙的墙肢自下而上连续布置，避免因刚度突变在强烈地震作用下造成地震作用效应集中；门窗洞口上下对齐，成列布置，形成明确的墙肢和连梁；剪力墙截面厚度和混凝土强度等级自下而上逐步降低。

二、结构的延性设计

2.1结构抗震性能目标

在多遇地震作用下剪力墙结构的主要受力构件处于弹性工作状态；设防烈度地震作用下剪力墙墙肢和跨高比小于2.5的连梁的名义剪应力满足规范限值要求，剪力墙水平施工缝满足抗滑移承载力设计要求，墙肢不出现偏心受拉的组合内力，底部加强部位墙肢抗剪钢筋处于弹性工作状态。

2.2剪力墙墙肢和连梁的延性设计

从汶川地震的震害调查报告中发现，汶川地震的震害绝大部分是脆性破坏，有梁柱节点、短柱、连梁、剪力墙、填充墙的斜截面剪切破坏，有剪力墙墙肢施工缝的水平剪切破坏。汶川地震的震害表明结构的延性设计十分重要。剪力墙结构的延性设计包含剪力墙、连梁的名义剪应力控制、强剪弱弯设计、墙肢轴压比控制和剪力墙施工缝抗滑移设计。

（1）控制墙肢的名义剪应力

剪力墙墙肢的名义剪应力过高时墙肢会过早出现斜裂缝，抗剪钢筋不能充分发挥作用，即使配置很多抗剪钢筋，也难以避免剪力墙的脆性剪切破坏。在工程结构设计时剪力墙墙肢的名义剪应力按照中震弹性控制，避免剪力墙出现斜截面破坏。

（2）控制墙肢的轴压比，设置边缘构件和翼墙剪力墙为偏压构件，墙肢截面相对受压区高度内的平均压应力大小和边缘构件内箍筋对混凝土的约束程度是影响剪力墙延性的重要因素。严格控制墙肢的轴压比、将大部分抗弯纵筋集中配置于边缘构件并提高边缘构件的配箍特征值，可以提高边缘构件范围内混凝土的抗压承载力和塑性变形能力，改善墙肢消耗地震能量的能力。控制轴压比、设置翼墙可以减小截面的墙肢受压区高度，提高其抗弯承载力。在工程设计时除尽可能设置翼墙外，墙肢的轴压比严格控制在0.5以下。

（3）连梁的塑性耗能设计

按照我国现行规范的要求，连梁是剪力墙结构最重要的耗能构件。然而在汶川地震中连梁的破坏几乎都是剪切破坏，较少出现耗能能力较好的弯曲破坏，即连梁没有体现规范期望的塑性耗能特征。从汶川地震的教训看，跨高比小于2.5的连梁要避免剪切破坏，仅按现行规范的要求用调整后的剪力设计值配置箍筋是不够的，应该配置对角交叉配筋抵抗地震作用下不断改变的剪力，有效防止斜裂缝的开展，提高连梁的抗剪承载力和曲率延性系数。连接单肢墙的框架梁的跨高比应该控制在5一6之间，确保具有足够的刚度协调单肢墙的变形，并具有足够的塑性耗能能力。

（4）剪力墙底部加强部位的塑性耗能设计

底部加强部位是高层剪力墙结构实现塑性耗能，保证结构安全的关键部位。高规7.2.5条采用对底部加强部位以上各楼层墙肢组合弯矩乘以增大系数，底部加强部位各楼层墙肢组合弯矩不调整的方式保证塑性铰出现在底部加强部位。高规7.2.6，7.2.14条通过对底部加强部位墙肢的剪力设计值乘以增大系数和设置约束边缘构件等方式，提高底部加强部位剪力墙的延性和抗剪承载能力。底部加强部位剪力墙水平钢筋按照中震弹性分析的剪力计算值进行配筋，确保塑性铰出现区域实现强剪弱弯。

（5）建立“强剪弱弯”、“强墙肢弱连梁”的屈服机制

抗震设计的关键是使结构实现合理的屈服机制和破坏过程，在设防烈度地震作用下依靠具有足够延性的先期屈服构件（一般为竖向荷载效应较小的水平构件）耗散地震能量，以保护结构的竖向构件。在罕遇地震作用下，竖向构件的屈服位置得到有效的控制并预先对拟定的屈服位置进行加强，提高屈服位置的耗能能力，确保结构不倒塌。工程的屈服机制是在设防烈度地震作用下连梁梁端出现塑性铰，通过连梁的塑性耗能，保护剪力墙墙肢的安全。在罕遇地震作用下底部加强部位各楼层墙肢底部出现塑性铰，依靠已特殊加强的底部加强部位的塑性耗能，保护结构不致倒塌。通过墙肢和连梁的强剪弱弯设计，避免墙肢和连梁出现脆性破坏，出现耗能良好的塑性铰。

三、结束语

（1）在高宽比较大的高层建筑中，采用剪力墙结构在保证结构安全性能的前提下可以实现较好的技术经济指标。

（2）剪力墙平、立面布置的合理性对保证结构的安全性能和有效控制建设成本意义重大。

（3）在结构平、立面布置时应避免出现薄弱层和薄弱部位，避免引起地震作用效应的集中。在构件设计时严格控制墙肢和连梁的名义剪应力，避免墙肢和连梁的脆性破坏。

（4）结构实现合理的屈服机制和破坏过程，充分发挥结构和构件塑性耗能能力，是实现抗震设防目标的关键工作。

（5）在现有的国民经济条件下对高层居住建筑进行中震弹性设计的条件尚不成熟。但用中震弹性分析结果优化剪力墙的布置，用中震弹性分析的剪力计算值控制剪力墙和小跨高比连梁的名义剪应力，配置连梁的斜向钢筋和剪力墙底部加强部位的水平抗剪钢筋，在建设成本增加较少的前提下可以大幅度提高结构的塑性耗能能力和结构安全度。。