剪力墙结构.docx

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剪力墙结构

剪力墙结构

摘要

本文介绍了高层建筑剪力墙结构在满足规范要求各项技术指标的前提下如何进行优化设计，从而达到降低工程造价的目的，以及剪力墙的分类、结构特点。

关键词　剪力墙；剪力墙结构；短肢剪力墙；短肢剪力墙结构

目录

前言………………………………………………………………………………………………3

一、高层建筑剪力墙结构的概念设计……………………………………………………………4

二、剪力墙结构设计计算原则…………………………………………………………………5

2.1楼层最小剪力系数（剪重比）的调整原则………………………………………………5

2.2楼层层间最大位移与层高之比（位移）的调整原则……………………………………5

2.3结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比（周期比）的调整原则：

………………………………………………………………………………………6

三、剪力墙结构的地基基础设计……………………………………………………………7四、剪力墙结构分类………………………………………………………………………………8

4.1短肢剪力墙构……………………………………………………………………8

4.2异形柱结构………………………………………………………………………………9五、剪力墙基本结构特点………………………………………………………………………10

结论………………………………………………………………………………………………11

参考文献…………………………………………………………………………………………11

前言

　　随着我国经济社会的快速发展，城市土地越来越紧张，住宅类建筑向高层及超高层发展已成为趋势。

一般的高层住宅多选用剪力墙结构体系，工程师在工作实践中发现，同一建筑平面方案，不同的结构墙体布置其经济指标差异很大，主要是混凝土用量及含钢量差距很大。

由于高层住宅建设的量大面广，若不注意提高设计水平则会造成很大的浪费，在地震区也未必对结构有利。

　　目前我国房地产业得到了迅猛的发展，不少房地产开发商要求设计单位为其节省工程投资，有些甚至要求限额设计，要求钢筋用量不得超过多少等等。

作为一名猪构设计工作者，如何在激烈的市场竞争中立足，如何执行好国家各项设计规范，如何在保证结构安全的前提下使得结构设计经济合理，是值得我们思考的。

俗话说“艺高人胆大”，这就要求我们对规范的条文有清楚的认识，理解规范的精髓，灵活运用。

　　“短肢剪力墙结构”和“异形柱框架结构”由于在很大程度上克服了普通框架与普通剪力墙结构的缺点，受到了建筑师的肯定，更得到了住户与房开商的欢迎。

为什么叫剪力墙结构，其实楼越高，风荷载对它的推动越大，风的推动叫水平方向的推动。

如房子，下面部分是有约束的，上面部分没有约束，风一吹会产生一定摇摆的浮动。

摇摆浮动限制的非常小，靠竖向墙板去抵抗。

风吹过来，板对它有一个对顶的力，使得楼不产生摇摆或者是产生摇摆的浮度特别小（在结构允许的范围之内）。

比如：

风从一面来，那么板有一个相当的力与它顶着，沿着整个竖向墙板的高度上相当于一对力，正好像一种剪切，相当于用剪子剪楼而且剪楼的力越往下剪力越大，因此，把这样的墙板叫剪力墙板，也说明竖向的墙板不仅仅承重竖向的力还应该承担水平方向荷载，包括水平方向的地震力和风荷载。

一、高层建筑剪力墙结构的概念设计

　　《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）规定：

高层建筑结构不应全部采用为短肢剪力墙结构。

短肢剪力墙较多时，应布置简体（或一般剪力墙），形成短肢剪力墙与简体（或一般剪力墙）共同抵抗水平力的剪力墙结构。

抗震设计时，简体和一般墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50％。

一般认为短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩的40％～50％时属于短肢剪力墙结构。

　　短肢剪力墙结构抗震性能较差，经济指标不好。

如《高规》规定：

抗震设计时其抗震等级比一般剪力墙提高一级，对于无翼缘或端柱的一字形短肢剪力墙，其轴压比限值相应降低0.1；除底部加强部位外，其他各层短肢剪力墙的剪力设计值，一、二级抗震等级应分别乘以增大系数1.4和1.2；短肢剪力墙截面的全部纵向钢筋的配筋率，底部加强区部位不宜小于1.2％，其他部位不宜小于1.0％，以上要求加大了剪力墙的截面厚度及配筋率，所以在实际工程中尤其是地震区尽可能避免采用。

　　设计中应体现使其结构竖向和水平向具有合理的刚度及承载力的分布，尽可能将剪力墙的墙肢截面高度（至少保证一肢）做的比8倍墙厚稍大，符合一般剪力墙，剪力墙也不必按开间布置，两间合并布置为大开间剪力墙，同时满足竖向荷载传递的要求。

剪力墙尽可能设计成“L”形、“T”形有利于剪力墙结构的稳定性，同时能够形成较好的侧向刚度。

在同样满足规范的各项指标的情况下，更能减轻结构自重，减小结构构件，有利于降低工程投资。

根据工程经验，对于“L”形、“T”形剪力墙，当一个方向的墙符合一般墙要求时，另一个方向的墙肢不宜过短，较小的墙肢常常会出现较大的配筋，一般宜控制在1m左右，使墙端暗柱配筋接近构造配筋为宜。

二、剪力墙结构设计计算原则

　　剪力墙结构设计时，应根据规范要求综合考察结构是否合理，比如说剪力墙结构刚度不宜过大，应以规范规定的楼层最小剪力系数为目标，使计算结果接近规范限值（不小于限值），同时要使楼层层间最大位移与层高之比满足规范限值。

其次，考察剪力墙底部加强区的轴压比是否满足（对抗震等级为一、二级的剪力墙），剪力墙连梁是否超限等。

要控制好结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度的剪力墙结构不应大于0.9；在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍（一般情况情况宜控制在1.2左右，特别不规则平面也宜控制在1.4以内）。

　　以下再较细致的分析剪力墙结构设计中需重点关注的各种技术指标的调整方法。

2.1楼层最小剪力系数（剪重比）的调整原则：

在满足短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩的不超过40％的前提下尽可能少布置剪力墙，以大开间剪力墙布置方案为目标，使结构具有适宜的侧向刚度，使楼层最小剪力系数接近规范限值（不小于限值）。

这样能够减轻结构自重，有效减小地震作用的输入，同时降低工程造价。

　2.2楼层层间最大位移与层高之比（位移）的调整原则：

规范规定多遇地震作用标准值产生的楼层最大的弹性层间位移在计算时，除以弯曲变形为主的高层建筑外，可不扣除结构整体弯曲变形；应计入扭转变形。

由此可见，对于一般的高层建筑，重点是楼间的剪切变形及扭转变形。

剪切变形的控制是以竖向构件的多少来决定的，但竖向构件足够多（剪重比偏大）而布置不合理，则会造成扭转变形过大，同样不能满足层间位移的要求。

因此，对于高层建筑应尽可能使扭转变形最小，而不能仅根据层间位移不够不加分析地增加竖向构件的刚度。

　　在实际工程设计中常常遇到如下情况：

一些设计人员看到某一方向（X向或Y向）层间位移不满足规范要求，于是不断增加该向的侧向刚度；这样做是可以解决问题的，但应注意此时结构的剪重比是否较大，若与规范限值接近则可行，若剪重比已经较大，则不应当一味的增加，要学会用加法的同时也要学会用减法，即减小对应一侧的结构刚度，使其剪重比减小，地震作用减小，同样可以达到较好的结果。

　2.3结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比（周期比）的调整原则：

　　震害表明，平面不规则、质量与刚度偏心、抗扭刚度太弱的结构，在地震中破坏严重，因此应保证结构的抗扭刚度不能太弱。

结构的扭转效应应从以下两方面加以限制：

首先，限制结构平面的不规则性，避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应，扭转变形的计算应考虑偶然偏心的影响；其次，限制结构的抗扭刚度不能太弱，关键是限制结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比。

　　在实际工程设计中，应将结构竖向构件尽可能沿建筑周边布置，这样即可以提高结构的侧向刚度，同时又能够较大幅度的提高结构的抗扭刚度；若在结构的形心附近加大竖向构件刚度，则对侧向刚度的贡献大而对结构整体的抗扭刚度贡献甚微。

　　　　剪力墙连梁超限的调整原则：

剪力墙连梁的跨高比不宜小于2.5，跨高比小于2.5的连梁很容易出现剪力和弯矩超过规范限值。

　　《高规》规定剪力墙长度不宜大于8m，当大于8m时宜采用弱连梁将其分开。

该条文中所说的剪力墙长度应当不只是单片实体剪力墙，而应包括含跨高比不大于5的连梁在内的联肢墙。

　　《高规》规定跨高比不小于5的连梁宜按框架梁进行设计。

即跨高比不小于5的连梁刚度不应折减。

而跨高比在5－6之间时，若连梁刚度不折减则也容易出现剪力或弯矩超限。

本人认为该条文在实际工程设计中若能充分利用，则对节省工程造价也有非常明显的影响，即将跨高比不大于5的连梁（刚度需折减）和减小剪力墙墙肢长度使连梁跨高比变为大于6的框架梁（刚度不折减），而后者的钢筋及混凝土用量均小于前者，这对于节省工程投资具有很重要的意义。

三、剪力墙结构的地基基础设计

　　高层建筑往往带有地下室，对于地基条件较好，可以采用天然地基或复合地基的建筑，当建筑层数为十多层时，一般采用梁板式筏形基础较为经济（因为平板式筏基会因为剪力墙间距较大而造成筏板受力不均匀而增加板厚）；当建筑层数为二十多层时，一般采用平板式筏形基础较为合理。

以上基础形式的确定主要是和剪力墙的间距有关，并根据结构的抗震设防烈度、层数、是否为人防地下室综合确定。

　　若地基条件不好需采用桩基础，可根据单桩承载力特征值大小，对于小高层采用独立桩基承台加构造梁板；对于高层采用沿墙下承台梁布桩加构造底板，不宜采用满堂布桩方案（承台筏板较费）。

四、剪力墙结构分类

4.1短肢剪力墙结构

短肢剪力墙结构是指墙肢的长度为厚度的5-8倍剪力墙结构，常用的有“T”字型、“L”型、“十”字型、“Z”字型、折线型、“一”字型。

这种结构型式的特点是：

（1）结合建筑平面，利用间隔墙位置来布置竖向构件，基本上不与建筑使用功能发生矛盾；

（2）墙的数量可多可少，肢长可长可短，主要视抗侧力的需要而定，还可通过不同的尺寸和布置来调整刚度中心的位置；

（3）能灵活布置，可选择的方案较多，楼盖方案简单；

（4）连接各墙的梁，随墙肢位置而设于间隔墙竖平面内，可隐蔽；

（5）根据建筑平面的抗侧刚度的需要，利用中心剪力墙，形成主要的抗侧力构件，较易满足刚度和强度要求。

在进行以上分析后，按《高层建筑结构设计与施工规范》进行截面与构造设计，相对于异形柱结构，短肢剪力墙结构的理论与实践较为成熟，但这种结构在结构设计中仍然有需要引起重视的方面：

（1）由于短肢剪力墙结构相对于普通剪力墙结构其抗侧刚度相对较小，设计时宜布置适当数量的长墙，或利用电梯，楼梯间形成刚度较大的内筒，以避免设防烈度下结构产生大的变形，同时也形成两道抗震设防；

2）短肢剪力墙结构的抗震薄弱部位是建筑平面外边缘的角部处的墙肢，当有扭转效应时，会加剧已有的翘曲变形，使其墙肢首先开裂，应加强其抗震构造措施，如减小轴压比，增大纵筋和箍筋的配筋率；

（3）高层短肢剪力墙结构在水平力作用下，显现整体弯曲变形为主，底部外围小墙肢承受较大的竖向荷载和扭转剪力，由一些模型试验反映出外周边墙肢开裂，因而对外周边墙肢应加大厚度和配筋量，加强小墙肢的延性抗震性能。

短肢墙应在两个方向上均有连接，避免形成孤立的“一”字形墙肢；

（4）各墙肢分布要尽量均匀，使其刚度中心与建筑物的形心尽量接近，必要时用长肢墙来调整刚度中心；

（5）高层结构中的连梁是一个耗能构件，在短肢剪力墙结构中，墙肢刚度相对减小，连接各墙肢间的梁已类似普通框架梁，而不同于一般剪力墙间的连梁，不应在计算的总体信息中将连梁的刚度大幅下调，使其设计内力降低，应按普通框架梁要求，控制砼压区高度，其梁端负弯矩钢筋可由塑性调幅70%-80%来解决，按强剪弱弯，强柱弱梁的延性要求进行计算。

4.2异形柱结构

异形柱结构是指柱肢的截面高度与柱肢宽度的比值在2-4，相对于正方形与矩形柱而言是异形的柱子。

它包括异形柱框架和异形柱框架剪力墙，常用的有“L”型、“T”型、“十”字型。

这种结构的特点是：

（1）由于截面的这种特殊性，使得墙肢平面内外两个方向刚度对比相差较大，导致各向刚度不一致，其各向承载能力也有较大差异；

（2）对于长柱（H/h>4）可以不考虑剪切变形的影响，控制轴压比较小时，受力明确，变形能力较好。

而对短柱（H/h<4），剪切变形占有相当比例，构件变形能力下降。

异形柱通常在短柱范围，且属薄壁构件，即使发生延性的弯曲形破坏，也因截面曲率M/EI或εcu/χ（εcu为砼的极限压应变，χ为截面受压区高度）较小，使弯曲变形性能有限，延性较差；

（3）异形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面范围之外，受力时要靠各柱肢交点处核心砼协调变形和内力，这种变形协调使各柱肢内存在相当大的翘曲应力和剪应力，而该剪应力的存在，使柱肢易先出现裂缝，也使得各肢的核心砼处于三向剪力状态，它使得异形柱较普通截面柱变形能力低，脆性破坏明显；

（4）特别是异形柱不同于矩形柱，它存在着单纯翼缘柱肢受压的情况，其延性更差。

由国内外大量的试验资料和理论

形柱的破坏形态为：

弯曲破坏、小偏压破坏、压剪破坏等，影响其破坏形态的因素有：

荷载角、轴压比、柱净高与截面肢长比（剪跨比），配箍率以及箍筋间距S与纵筋直径D的比值等。

由于其受力性能的复杂，设计中必须通过可靠的计算和必要的构造措施来保证其强度和延性。

五、剪力墙基本结构特点

（1）建筑物中的竖向承重构件主要由墙体承担时，这种墙体既承担水平构件传来的竖向荷载，同时承担风力或地震作用传来的水平地震作用。

剪力墙即由此而得名（抗震规范定名为抗震墙）。

（2）剪力墙是建筑物的分隔墙和围护墙，因此墙体的布置必须同时满足建筑平面布置和结构布置的要求。

（3）剪力墙结构，有很好的承载能力，而且有很好的整体性和空间作用，比框架结构有更好的抗侧力能力，因此，可建造较高的建筑物。

（4）剪力墙结构的优点是侧向刚度大，在水平荷载作用下侧移小，其缺点是剪力墙的间距有一定限制，建筑平面布置不灵活，不适合要求大空间的公共建筑，另外结构自重也较大，灵活性就差。

一般适用住宅、公寓和旅馆。

（5）剪力墙结构的楼盖结构一般采用平板，可以不设梁，所以空间利用比较好，可节约层高。

结束语

　　高层建筑剪力墙结构应用量大，应进行反复的优化设计，在重视概念设计的前提下，认真调整各项技术参数，使结构达到相对较优的结果；只有这样，才

能保证结构安全合理又能为社会节省大量的投资。

在此我感谢我的老师，三年来对我的细心指导，让我学到了很多关于建筑工程技术方面的知识，导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己，宽以待人的崇高风范，朴实无华，平易近人的人格魅力对我影响深远。

最后，谢谢学校对我的栽培。

参考文献

1）陈青来.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.国家建筑标准设计院.2003

2）陈清来.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.国家建筑标准设计院.2004