关于剪力墙结构设计中若干问题的研究

1、第4卷第6期2007年12月工程地球物理学报CHIN ESE JO U RN A L O F EN GI NEERIN G G EOP HY SICSV ol 14,N o 16Dec 1,2007文章编号:16727940(200706059605关于剪力墙结构设计中若干问题的研究杨 斌1,张红英2(1.北京城建集团第十一公司,北京102200;2.中国地质大学工程学院,武汉430074作者简介:杨斌(1980-,男,北京海淀人,工程师,现就职于北京城建集团第十一公司,主要从事建筑技术及管理工作。E-mail:x-i张红英(1979-,女,中国地质大学(武汉工程学院测绘工程系硕士研究生,主要

2、从事GIS 、RS 、GPS 方面学习与研究。E摘 要:剪力墙结构作为高层建筑中的主要结构形式,被广泛运用于现代高层建筑领域,特别是近年来得到了迅速的发展。剪力墙作为承受垂直和水平荷载的结构,在高层房屋建筑中,既要发挥它具有足够的抗侧能力,又要克服其工程费用较高的缺点。在设计中,对于不同的剪力墙结构应采用不同的布置方案,一般来讲,以满足位移限制作为剪力墙数量的依据较为合适。细高的剪力墙应设计成弯曲破坏的延性剪力墙,从而可避免脆性的剪切破坏。连梁对于剪力墙结构尤为重要,在起到连接墙肢作用的同时,还应对所连接的墙肢起到一定的约束作用。关键词:剪力墙;高层建筑;结构设计中图分类号:P 642.116

3、文献标识码:A 收稿日期:2007-09-28Discussion on the Problems of Shear Wall Structure DesignYang Bin 1,Zhang Hong ying2(1.T he Eleventh Ur ban Constr uction Comp any of Beij ng ,Beij ing 102200,China; 2.F acul ty o f Engineering ,China Univ er sity of Geosciences ,Wuhan 430074,ChinaAbstract:As the main structur

4、e form in tall building s,the shear w all structure has been w idely used in the field of modern tall buildings in recent year s.With the structure of bear -ing perpendicularity and lev el load in the construction of tall buildings,shear w all w ill pos -sess lateral resistance capacity on the one h

5、and,and on the other hand it w ill avoid higher cost.So in the design,differ ent shear w all str uctures w ill adopt different schemes.Gener -ally,thin and tall shear wall should be designed in bend destructiv e ex tending shear w all so as to avoid fr ag ile shear destruction.W hat s m ore,link is

6、very impo rtant to shear w all structure.Key words:shear w all;tall buildings;structur e design1引言随着经济和社会的发展,现代城市化建设得到了长足的发展,高层建筑在城市土地日益紧张的今天更是得到了投资者的青睐,也逐渐成为现代建筑的发展趋势。剪力墙结构作为一种高层结构体系,在现代高层建筑中应用非常广泛,特别是高层剪力墙住宅近20年来在我国得到迅速发展。但对于剪力墙的合理布置,5高层建筑混凝土结构设计规程6没有一个明确的规定,剪力墙具体的布置与截面设计往往是由结构工程师根据以往的经验来完成的1。所以,在

7、没有一个明确的最优化设计方法的情况下,工程师往往出于结构安全、方便设计、缩短设计周期等考虑而把结构设计得偏于保守,没有充分发挥材料的性能,造成了一定的浪费。为此,笔者就剪力墙结构设计中的几个问题进行一些探讨。2剪力墙结构的优缺点剪力墙结构是用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱,能承担各类荷载引起的内力,并能有效控制结构的水平力,这种用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构称为剪力墙结构,它一般为钢筋混凝土墙,高度和宽度可与整栋建筑相同。剪力墙结构优点是剪力墙结构刚度大,整体性好,用钢量较省,抵抗侧向变形能力强;抗震性能较好,设计合理时结构具有较好的塑性变形能力。因而剪力墙结构适宜的建造高度比

8、框架结构要高。在高层住宅、旅馆等居住性建筑中,居室和客房均为小间,分隔墙较多,采用现浇剪力墙结构,可以将承重墙与隔墙合二为一,相对来说比较经济。另外,采用现浇剪力墙结构,室内较框架结构简洁,没有露梁及露柱现象,外形美观,便于室内布置。但是,也有一些缺点:1剪力墙结构抗侧刚度大,引起较大地震反应,使得上部结构和基础费用增加。2由于砼墙体较多,使得建筑物重量增加,这也同样引起较大地震反应,造成浪费。3剪力墙结构中各墙肢轴压比往往较低,使得各墙肢的承载能力得不到充分发挥。4剪力墙结构中墙体多为构造配筋,配筋率较低,使得结构延性较差。5受楼板跨度的限制(一般为38m,剪力墙间距不能太大,建筑平面布置不

9、够灵活,难以应用于公共建筑。在高层剪力墙结构设计中,既要发挥它具有足够的抗侧能力等优点,又要克服其工程费用较高的缺点。建筑物刚度的大小,历来争议较多。但对于钢筋砼结构,通过历次震害表明,刚度较大的结构一般震害较轻。但是,结构刚度不能无限制增大,因为在一般情况下,建筑物刚度越大,工程费用越高,存在一个/度0的问题。对高层建筑,控制这个/度0主要有两个因素,一是控制结构的水平位移,首先应使结构水平位移满足5钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程6中有关结构水平位移的限值;另一是控制地震力,因为在地震力计算值偏小的情况下,有时也会出现结构顶点位移满足要求。构件为构造配筋的/安全0假象,所以,只有底部剪

10、力在合理范围内,检查位移、内力及配筋情况才有意义。5钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程6中关于剪力墙结构合适的底部剪力系数A如表1所示2。表1剪力墙结构合适的底部剪力系数AT able1Shear fo rce coefficient A of suitable botto m 烈度7893关于剪力墙结构的合理布置问题高层建筑应有较好的空间工作性能,为了适应任何方向的水平力(或地震作用,对于矩形平面剪力墙结构均应在纵横双向均匀布置形成空间结构,尤其强调在抗震结构中应避免单向布置剪力墙并宜使两个方向刚度接近。剪力墙的抗侧刚度及承载力均较大,为充分利用剪力墙能力,减轻结构重量,增大剪力墙结构的可

11、利用空间,墙不宜太密,使结构具有适宜的侧向刚度。由于在地震作用下,剪力墙的侧向位移与其抗弯刚度E EI并不成反比关系,当剪力墙数量过多时,结构刚度加大,地震作用就会加大,但侧向位移减少时相对较597第6期杨斌等:关于剪力墙结构设计中若干问题的研究少,所以在一般工程中,以满足位移限制作为剪力墙数量的依据较为合适。不同的剪力墙结构可采用不同的布置方案。3.1层数较少(20层以下的高层住宅20层以下的高层采用传统的现浇剪力墙结构,各墙肢轴压比的计算值往往较小,墙体配筋为构造配筋,墙体承载能力没有发挥出来,工程费用偏高。这时,若采用一种改进的现浇剪力墙结构,属于联肢剪力墙的短肢剪力墙结构(整体系数控制

12、在3.5左右,以上不足就可以得到解决3。短肢剪力墙结构的具体做法是:利用位于建筑平面中部抗侧刚度很大的楼梯间、电梯间作为一个抵抗水平力的抗剪核心筒,这个核心筒有多片剪力墙组成,用以抵抗大部分由风荷载和地震作用引起的水平力。一般情况下,这部分剪力墙不做成短肢墙,当某片剪力墙的长度超过8m时,中间开一个结构洞,使其成为双肢剪力墙,除核心区外的其他各片剪力墙,视其所处位置不同,将其分割成若十个/L0形、/T0形或/一0字形短肢剪力墙,这些短肢剪力墙的墙肢长度一般为46b w(b w为剪力墙厚度,但尽量避免出现长度小于3.5b w的小墙肢,当出现时,应加强小墙肢配筋。建筑平面上这部分短肢剪力墙主要承担

13、结构的竖向荷载,各墙肢由连梁连接,协同工作,使整个结构形成一个良好的抗震体系。在7度区,20层以下的高层住宅采用短肢剪力墙结构,结构顶点位移、周期、底部剪力一般均可控制在合理范围内。3.2框支剪力墙结构在框支剪力墙结构中,上部剪力墙结构采用短肢剪力墙体系。底部大空间剪力墙结构是指全落地剪力墙和框架支承的剪力墙协同工作的结构体系。这种结构体系在底层为商店,上层为住宅,旅馆的建筑中经常被采用。但是这种体系的抗震性能不好,因为上层剪力墙结构抗侧刚度很大,而下层框架-剪力墙刚度较小;结构刚度沿竖向变化悬殊,有时达46倍,使得结构在水平力作用下容易产生应力集中和变形集中。3.3层数较多(如20层以上的高

14、层住宅在层数较多的高层建筑中,如采用短肢剪力墙体系,就使得结构较柔,结构顶点位移和层间位移就不一定能满足规范要求,底部剪力系数也偏低,结构趋于不安全。因此层数较多的高层住宅,最好采用整体系数A接近10的联肢剪力墙5。4剪力墙长度和厚度的选取4.1剪力墙长度的选取剪力墙墙肢长度(即墙肢截面高度一般不宜大于8m。结构设计中的剪力墙结构应具有延性,细高的剪力墙(高宽比大于2容易设计成弯曲破坏的延性剪力墙,从而可避免脆性的剪切破坏。当墙的长度很长时,为了满足每个墙段高宽比大于2的要求,可通过开设洞口将长墙分成长度较小、较均匀的联肢墙,洞口连梁宜采用约束弯矩较小的弱连梁(其跨高比宜大于6,使其可近似认为

15、分成了独立墙段。4.2墙肢厚度的选取表2剪力墙截面最小厚度T able2T he smallest thickness of shear ing w all sect ion 抗震等级剪力墙部位最小厚度(二者之中较大值有端柱或翼墙无端柱或翼墙一、二级底部加强区H/16;200mm H/12;200m m其它部位H/20;160mm H/15;180m m三、四级底部加强区H/20;160mm同左其它部位H/25;160mm同左非抗震H/25;160mm同左注:H为层高或剪力墙无支长度的较小值对短肢剪力墙结构,5高层建筑混凝土结构技术规程6中规定其抗震等级应比表2规定的抗震等级提高一级采用。故除

16、6度地震区外,短肢剪力墙的抗震等级至少为一级。对于住宅建筑,填充墙厚一般为200m m,相应剪力墙厚也取为200m m。住宅层高一般为2.83.0m,故墙厚取200m m,除底层加强区的/一0字形短肢剪力墙外,均能满足规范要求。以上规定的目的主要是为防止因墙体平面外刚度过小,稳定性差,容易在598工程地球物理学报(Chinese Jour nal of Engineer ing Geo phy sics第4卷偏心荷载作用下压屈失稳,但这些规定对于8度地震区的多层及低高层剪力墙结构显得不够合理。所以象这样特殊情况的低多层建筑不应要求严格按照规范,而应通过采用概念设计分析,控制墙肢轴压比,进行墙体

17、截面条件、强度和稳定性验算并在构造上适当加强暗柱或配筋,保证其整体性连接等措施,是可以使墙厚减小的。对于无地下室的高层住宅,因其基础埋深一般在2.5m以上,则底层墙体高度会到5.0m以上,若按层高的1/16确定墙厚,将超过300mm,大于填充墙厚度。为避免出现此种情况,在布置剪力墙时,应结合建筑平面,尽量不用/一0字形剪力墙,而采用/L0、/T0、/Z0、/十0字形等截面形式,且使翼缘长度大于其厚度的3倍,这样一方面可以使墙体抗震性能更好,另一方面墙厚也可取为剪力墙无支长度的1/16。由于住宅建筑中剪力墙肢长一般小于3.0m,故厚度采用200mm满足构造要求6。5剪力墙连梁设计问题5.1连梁的

18、作用在剪力墙结构中,连接墙肢与墙肢的梁称为连梁。在水平荷载作用下,墙肢发生弯曲变形,使连梁端部产生转角,从而使连梁产生内力,同时连梁端部的内力又反过来减小与之相连的墙肢的内力和变形,对墙肢起到一定的约束作用,改善墙肢的受力状态。因此,连梁对于剪力墙结构尤为重要,在起到连接墙肢作用的同时,还对所连接的墙肢起到一定的约束作用。5.2连梁的设计问题与剪力墙相连的梁称为连梁。连梁一般具有跨度小,截面大,与连梁相连的墙体刚度又很大等特点。因此,高层建筑在水平力作用下,连梁的内力往往很大。高层建筑连肢墙在水平力作用下的破坏分为脆性破坏(即剪切破坏和延性破坏(即弯曲破坏两种7。连肢墙的脆性破坏又可分为两种情

19、况。一种是脆性破坏发生于墙肢。墙肢由于抗剪能力不够而发生剪切破坏,会使剪力墙很快丧失承载能力,造成结构的突然倒塌,这是设计时应绝对避免的。抗震规范里规定了抗震墙截面的剪压比限值和抗震等级为一、二级时抗震墙底部加强部位剪力设计值的放大系数,就是为了防止剪力墙早于弯曲破坏而发生剪切破坏。脆性破坏的另一种情况是连梁发生剪切破坏,导致连肢墙各墙肢丧失连梁对墙肢的约束作用。在沿墙全高所有连梁均发生剪切破坏时,连肢墙的各墙肢将成为单片的独立墙,这会使结构的侧向刚度大大降低,墙肢弯矩加大。抗震规范里规定了连梁截面的剪压比限值和抗震等级为一、二级时连梁端部剪力设计值的调整系数,也是为了防止连梁早于弯曲破坏发生

20、剪切破坏。但和第一种墙肢发生剪切破坏相比,连梁发生剪切破坏时结构尚未丧失承载能力,在墙肢破坏前,只要所考虑的连梁不承担较大的竖向荷载,不会造成结构的倒塌。剪力墙的延性破坏也可分为两种情况。一种是连梁不屈服,墙肢首先发生弯曲破坏,这种墙在破坏时的极限变形较小。因此,对有抗震设防要求的建筑来说,它虽然是一种延性破坏,但吸收地震能量的能力是较低的,设计中应避免这种情况的发生。延性破坏的另一种是连梁先屈服,最后是墙肢的屈服。当连梁有足够的延性时,它能通过塑性铰的变形吸收大量的地震能量。同时,通过塑性铰仍能继续传递弯矩和剪力,对墙肢起到一定的约束作用,使连肢墙保持足够的刚度和强度,这是设计时应首先考虑做

21、到的。6剪力墙的边缘构造一般来说,矩形截面剪力墙的延性比工字形或槽形截面剪力墙差;增加墙肢截面两端的翼缘能显著提高墙的延性;因此在矩形墙两端设约束边缘构件不但能较显著地提高墙体的延性,还能防止剪力墙发生水平剪切滑动提高抗剪能力。从2002年开始实施的建筑结构规范,根据结构类型及受力状况,对剪力墙两端及洞口两侧的加强边缘,按墙肢在重力荷载代表值作用下墙肢轴压比的界线及加强部位要求可分为约束边缘构件和构造边缘构件两类8。5建筑抗震设计规范6中规定抗震墙结构、部分框支抗震墙中落地剪力墙当一、二级抗震时底部加强部位及相邻的上一层均应按要求设置约束边缘构件;但对于一般抗震墙结构,当满足墙肢轴压比限值界线

22、值时可按规定设置构造边缘构件。5建筑抗震设计规范6未明确框架剪力墙结构中的剪力墙需设置约束边缘构件时抗震墙的抗震等级和轴压比界限值;但599第6期杨斌等:关于剪力墙结构设计中若干问题的研究7结语伴随着高层建筑的迅猛增加,对剪力墙结构的合理选型和优化布置,对于节约建设成木具有指导性意义。因此,近年来工程界对高层剪力墙结构的优化布置给予了更多的关注,并取得了一定的进展。目前,高层建筑设计规范对结构选型尤其是合理布置尚未做出一个明确的具体的规定11。因此,结合实际的工程背景,对高层剪力墙结构的优化布置进行研究很有必要。参考文献:1G B500112001,建筑抗震设计规范S.北京:中国建筑工业出版社,2002.2125.2G B5001020