剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若干問(wèn)題的思考

劉娜

（廣東省輕紡建筑設(shè)計(jì)院，廣東 廣州 510080）

1 前言

剪力墻之所以是主要的抗震結(jié)構(gòu)構(gòu)件是因?yàn)?剪力墻的水平剛度大，容易滿足小震作用下結(jié)構(gòu)尤其是高層結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移限制。但是剛度大剪力墻承受的地震水平力也隨之增大，以往認(rèn)為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的破壞屬于脆性破壞形式，所以一些國(guó)家對(duì)剪力墻在地震區(qū)的采用持慎重態(tài)度。隨著實(shí)驗(yàn)研究的深入，使剪力墻的抗震設(shè)計(jì)有了很大發(fā)展，形成了一套較完整的強(qiáng)度，延性保證構(gòu)造措施。我國(guó)清華大學(xué)工程研究所及國(guó)內(nèi)外其他研究單位所做實(shí)驗(yàn)表明，剪力墻的邊琢構(gòu)件有橫向鋼筋約束可有效改善混凝土的受壓性能，增大剪力墻的延性。與不設(shè)置邊緣構(gòu)件的矩形剪力墻相比其極限承載力提高約40%，耗能能力提高20%，極限層間位移角可增大一倍。此外還能防止剪力墻發(fā)生水平剪切滑動(dòng)提高抗剪能力。邊緣構(gòu)件根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和受力狀況分為約束邊緣構(gòu)件和構(gòu)造邊緣構(gòu)件兩類(lèi)，其作為剪力墻的加強(qiáng)邊約束能力主要與邊緣構(gòu)件的配筋范圍、配箍量以及配筋形式有關(guān)。

2 剪力墻邊緣構(gòu)件的配筋設(shè)計(jì)

2.1 底部加強(qiáng)區(qū)約束邊緣構(gòu)件設(shè)置條件

《抗震規(guī)范》及《高規(guī)》中規(guī)定，一、二級(jí)抗震墻底部加強(qiáng)部位及相鄰的上一層的墻肢端部應(yīng)設(shè)置約束邊緣構(gòu)件;一、二級(jí)抗震設(shè)計(jì)剪力墻的其他部位以及三、四級(jí)抗震設(shè)計(jì)和非抗震設(shè)計(jì)的剪力墻墻肢端部均應(yīng)設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件。《抗震規(guī)范》同時(shí)規(guī)定墻肢底截面在重力荷載代表值作用下的軸壓比小于表1 的規(guī)定值時(shí)可設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件。

表1 抗震墻設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)他約最大軸壓比

由有關(guān)研究可知，抗震墻的延性除了與邊緣構(gòu)件范圍，配箍大小等因素有關(guān)外，還與截面的的相對(duì)受壓區(qū)高度或軸壓比有關(guān)，當(dāng)截面的的相對(duì)受壓區(qū)高度或軸壓比較小時(shí)，即使不設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，抗震墻也具有較好的延性和耗能能力。當(dāng)相對(duì)受壓區(qū)高度或軸壓比超過(guò)一定值時(shí)，就需要增大邊緣構(gòu)件的范圍和配箍量。文獻(xiàn)不僅考慮了位置因素，還考慮了軸壓比的影響，而《高規(guī)》適用于高層建筑結(jié)構(gòu)。剪力墻屬豎向懸臂構(gòu)件，當(dāng)為高層結(jié)構(gòu)時(shí)，即使在軸壓比較小的情況下，由于豎向高度較高，橫向地震力對(duì)剪力墻產(chǎn)生的彎矩在剪力墻底部也會(huì)很高，所以，對(duì)底部加強(qiáng)部位的約束邊緣要求不予放寬是有道理的。值得注意的是，目前設(shè)計(jì)較多的小高層住宅多采用短肢剪力墻，由于短肢剪力墻在結(jié)構(gòu)中所占比例較高，結(jié)構(gòu)與側(cè)向剛度較大的普通概念的剪力墻結(jié)構(gòu)有了顯著量變，規(guī)范系針對(duì)普通概念的剪力墻制定，對(duì)整體短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的適用程度便較難把握，全部套用并不合適，有待進(jìn)一步的研究。

2.2 約束邊緣構(gòu)件配筋

2.2.1 約束邊緣構(gòu)件陰影部分配筋

陰影部分箍筋體積配箍率按規(guī)范可通過(guò)相關(guān)公式pv=λvfc/fyv=0.2fc/fyv求得。但對(duì)所配箍筋的形式未作具體要求。首先陰影部分外圍應(yīng)采用封閉箍筋，因?yàn)榉忾]箍筋越多對(duì)混凝土的約束能力越強(qiáng)，承壓，抗剪能力提高越多。其次陰影部分中部的復(fù)合箍，可采用方框箍相套方式，也可采用拉筋方式。拉筋要求既拉住縱筋也拉住橫向筋，試驗(yàn)證明拉筋功能優(yōu)于單肢箍和復(fù)合套箍，截面中部的復(fù)合箍采用拉筋能更好地模擬三向受壓狀態(tài)。(日本規(guī)范規(guī)定當(dāng)柱截面內(nèi)部的復(fù)合箍均采用拉筋時(shí)柱的軸壓比限值可以適當(dāng)提高就是這個(gè)道理。)此外，為了充分發(fā)揮約束邊緣構(gòu)件的作用，參考國(guó)外規(guī)范，箍筋的長(zhǎng)邊不大于短邊的3 倍，且相鄰兩個(gè)箍筋應(yīng)相互搭接1/3 長(zhǎng)邊的距離。

2.2.2 約束邊緣構(gòu)件非陰影部分配筋

約束邊緣構(gòu)件非陰影部分即體積配箍率為入v/2 的區(qū)域，此區(qū)域是邊緣構(gòu)件和剪力墻之間共有的過(guò)渡部分，其配筋對(duì)剪力墻延性影響小于陰影部分。該部位的縱筋為剪力墻豎向分布筋，但間距應(yīng)與拉筋配合且不大于豎向分布筋間距;水平筋就是剪力墻身的水平分布筋，設(shè)計(jì)中部分結(jié)構(gòu)師將按陰影部分計(jì)算的箍筋擴(kuò)展到非陰影部分，結(jié)果墻身水平分布筋通過(guò)該部位伸至剪力墻端部彎鉤錨固，將于設(shè)置在非陰影部分的箍筋發(fā)生長(zhǎng)距離重疊，導(dǎo)致該部位的實(shí)際配箍率過(guò)大，造成不必要的浪費(fèi)。

另外，規(guī)范規(guī)定，一、二級(jí)剪力墻陰影部分的箍筋或拉筋豎向間距分別不宜大于100mm，150mm。因此部分結(jié)構(gòu)師就簡(jiǎn)單的把非陰影部分拉筋間距取為陰影部分間距的2 倍(非陰影部分配箍特征值為陰影部分1/2)，即200mm 和300mm。但規(guī)范中規(guī)定，一、二級(jí)剪力墻底部加強(qiáng)部位構(gòu)造邊緣構(gòu)件箍筋或拉筋沿豎向最大間距為100mm 和150mm。其他部位150mm，200mm。筆者認(rèn)為作為軸壓比更大的約束邊緣構(gòu)件，其箍筋或拉筋的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)不宜低于相同抗震等級(jí)構(gòu)造邊緣構(gòu)件的要求。

此外，當(dāng)剪力墻水平分布筋間距不符合約束邊緣構(gòu)件非陰影部分箍筋或拉筋最大間距時(shí)，例如，水平筋間距為200mm，而箍筋或拉筋間距為150mm，若非陰影部分只配置拉筋，則有部分拉筋將無(wú)法拉住水平筋，此時(shí)，可以考慮在此部位設(shè)置附加水平筋的措施。

約束邊緣構(gòu)件縱筋是由剪力墻截面抗彎計(jì)算而來(lái)，兩端部縱筋合力中心距離大小直接影響承載力大小，《抗震規(guī)范》規(guī)定:“約束邊緣構(gòu)件沿墻肢的長(zhǎng)度和配箍特征值應(yīng)符合表6.4.7 的要求，一、二級(jí)抗震墻約束邊緣構(gòu)件在設(shè)置箍筋范圍內(nèi)(即圖6.4.7 中陰影部分)的縱向鋼筋配筋率，分別不應(yīng)小于1.2%，1.0%”。此條說(shuō)明約束邊緣構(gòu)件的縱向鋼筋配筋率按陰影部分計(jì)算，間接說(shuō)明應(yīng)配在陰影部位，《高規(guī)》對(duì)陰影部分縱筋配筋量要求與文獻(xiàn)《抗震規(guī)范》相同。但規(guī)定，約束邊緣構(gòu)件縱向鋼筋的配筋范圍不應(yīng)小于陰影面積，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)師將此理解為配筋范圍的下限值，從而將端部縱筋均布在整個(gè)約束邊緣構(gòu)件Ic 范圍內(nèi)，結(jié)果使鋼筋合力中心距離減少(截面高度大時(shí)尤為明顯)，使截面抗彎承載力降低，影響結(jié)構(gòu)安全。因此，縱向鋼筋的配置范圍應(yīng)為約束邊緣構(gòu)件的陰影部分，不應(yīng)隨意擴(kuò)大范圍。

2.2.3 剪力墻水平分布筋錨固

目前，部分結(jié)構(gòu)師和現(xiàn)場(chǎng)施工人員認(rèn)為剪力墻水平分布筋錨入邊緣構(gòu)件 (一般為暗柱)滿足搭接長(zhǎng)度即可或可仿照梁與柱連接的做法。但事實(shí)上，邊緣構(gòu)件與剪力墻墻身之間的連接有別于不同構(gòu)件(例如梁與柱)之間的連接，邊緣構(gòu)件并不是剪力墻墻身的支座，其本身是剪力墻的一部分，剪力墻水平分布筋是用以抵抗水平地震作用產(chǎn)生的剪力，是按整片墻肢進(jìn)行配置的，并未扣除邊緣構(gòu)件的長(zhǎng)度;且規(guī)范中未考慮剪力墻邊緣構(gòu)件抵抗水平地震剪力，其中所配箍筋的作用是約束混凝土，改善混凝土的受壓性能，提高剪力墻的延性能力，兩者屬于一個(gè)整體只是作用不同。因此應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)圖集(03G101-1)做法，將水平分布筋伸至墻肢端部垂直彎折15d。

3 設(shè)置轉(zhuǎn)角窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著房地產(chǎn)市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇設(shè)計(jì)院為了迎合甲方及市場(chǎng)的需求，設(shè)計(jì)出大量立面造型新穎獨(dú)特的高層建筑，其中轉(zhuǎn)角窗以它室內(nèi)可視角度開(kāi)闊，室外立面造型豐富的優(yōu)點(diǎn)，在建筑設(shè)計(jì)中廣為采用，滿足了建筑立面和業(yè)主使用功能的要求，但對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了難題。在層數(shù)較多的高層建筑，轉(zhuǎn)角窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題尤其值得注意。建筑物角部是結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵性部位，一般均設(shè)置“L”形剪力墻，這種情況下角部構(gòu)件內(nèi)力較大，程度不同地都顯示出剪力滯后、應(yīng)力集中、受力復(fù)雜等現(xiàn)象。若設(shè)置轉(zhuǎn)角窗，就是在角部墻體上開(kāi)洞，實(shí)際上是取消了角部的墻體，代之以角部交叉連梁，這將使角部附近的構(gòu)件受力更加復(fù)雜，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震更加不利。

3.1 轉(zhuǎn)角窗上過(guò)梁的設(shè)計(jì)方法及構(gòu)造措施

結(jié)構(gòu)分析一般采用目前國(guó)內(nèi)流行的建科院編制的TAT，SATWE 計(jì)算軟件，對(duì)不落地窗結(jié)構(gòu)，如按普通剪力墻開(kāi)洞方法:先在平面周邊布?jí)?，然后在拐角處開(kāi)洞，將過(guò)梁按連梁對(duì)待，這種方法看起來(lái)似乎嚴(yán)格按實(shí)際情況輸入程序進(jìn)行計(jì)算，但由于程序本身的缺陷，使拐角處自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)小于150mm 的短肢剪力墻，平面模型上反映不出來(lái)，要觀察立面模型才可以發(fā)現(xiàn)，容易疏忽。這個(gè)小墻肢作為角窗挑梁自由端一個(gè)支點(diǎn)。這與實(shí)際情況不符，加上由于該構(gòu)件太小，是一個(gè)超筋構(gòu)件。結(jié)構(gòu)一受力，即產(chǎn)生破壞給整體計(jì)算帶來(lái)混亂，因而是不可取的。所以對(duì)轉(zhuǎn)角窗上連梁應(yīng)按普通框架梁考慮，梁高按實(shí)際輸入。

在對(duì)轉(zhuǎn)角梁進(jìn)行電算時(shí)，轉(zhuǎn)角梁的負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)、扭矩折減系數(shù)均應(yīng)取1.0，不能有折減系數(shù)。角窗過(guò)梁的計(jì)算簡(jiǎn)圖，可取一端簡(jiǎn)支，一端固定。但嚴(yán)格來(lái)講，過(guò)梁設(shè)計(jì)要依據(jù)電算結(jié)果再做適當(dāng)調(diào)整，才可用于實(shí)際工程，這就需要電算和手算相結(jié)合。以電算為參考，用手算復(fù)核，手算時(shí)考慮到地震作用下過(guò)梁的簡(jiǎn)支端的簡(jiǎn)支作用可能失效，因此，固端彎矩可取1/2ql2。同理，跨中彎矩是查計(jì)算表按9/128q12彈性計(jì)算，習(xí)慣上也近似取1/11q12這不是簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)化，而是過(guò)梁在實(shí)際工作時(shí)內(nèi)部可能存在調(diào)幅，致使固端彎矩有部分向跨中轉(zhuǎn)移，從而加大了跨中彎矩。同時(shí)，適當(dāng)加強(qiáng)梁底配筋，可有效防止撓度過(guò)大的超限。一般構(gòu)造上不應(yīng)小于2Ф20。其次，還有一個(gè)必須注意的問(wèn)題是:設(shè)置了轉(zhuǎn)角窗后，對(duì)結(jié)構(gòu)角部承載能力做了較大的削弱，過(guò)梁不但承受墻、窗的豎向荷載，還要肩負(fù)另一重任:(l)承受垂直方向過(guò)梁對(duì)本梁產(chǎn)生的扭矩;(2)抵抗因結(jié)構(gòu)平面周邊扭轉(zhuǎn)應(yīng)力對(duì)過(guò)梁產(chǎn)生的側(cè)向彎矩;(3)抵抗因室內(nèi)外溫差引起的側(cè)向溫度應(yīng)力產(chǎn)生的彎拒。因此，過(guò)梁兩側(cè)配置足夠的構(gòu)造腰筋是相當(dāng)必要的。一般鋼筋直徑同墻體水平筋，構(gòu)造鋼筋配筋量按下式計(jì)算 :As=0.2bhw(式中b，hw為梁的截面寬度與腹板高度)轉(zhuǎn)角梁不同于一般梁，也不同于剪力墻之間的連梁，它是一根整體折梁。當(dāng)轉(zhuǎn)角兩端梁長(zhǎng)相等時(shí)，該梁具有較多的懸臂梁工作性質(zhì)，當(dāng)梁長(zhǎng)相差較大時(shí)，較短梁的梁端將在一定程度上對(duì)較長(zhǎng)梁起著彈性支承的作用。在配筋方面，梁的主要鋼筋最小值(上部縱向受力鋼筋)不宜按一般梁考慮(取0.2 和 45ft/fy 中的較大值)，而宜根據(jù)不同的抗震等級(jí)及混凝強(qiáng)度等級(jí)參考框架梁支座配筋率確定。轉(zhuǎn)角梁上筋宜為一根帶90 度彎角的L 形鋼筋，兩端錨入墻內(nèi)長(zhǎng)度laE 如在相交點(diǎn)處斷開(kāi)由兩根鋼筋連接組成，則宜采用機(jī)械連接或焊接連接。

3.2 與轉(zhuǎn)角窗相連剪力墻暗柱的設(shè)計(jì)方法及構(gòu)造措施

轉(zhuǎn)角窗相連處的剪力墻，其墻肢內(nèi)端暗柱在首層柱根部彎矩會(huì)很大，這是由于挑梁根部彎矩層層疊加下傳至首層暗柱根部時(shí)累計(jì)的結(jié)果。此時(shí)，暗柱長(zhǎng)度不能再按1.5～2 倍墻厚取值?？梢园呀谴疤幍膲χ傧鬄槠胀ㄖ?。為了抵抗很大的根部彎矩，必須把柱內(nèi)受拉鋼筋配置在較大范圍之內(nèi)。這個(gè)范圍就是此時(shí)剪力墻墻肢內(nèi)暗柱的長(zhǎng)度范圍，一般構(gòu)造上取600mm。

另外，如果與角窗相連的墻肢寬度過(guò)短時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)抗彎不足的情況，此時(shí)應(yīng)該通過(guò)增加墻厚，加大不利墻肢斷面的辦法，加強(qiáng)墻肢的抗彎能力。

3.3 轉(zhuǎn)角窗處板內(nèi)暗拉梁的設(shè)計(jì)方法及構(gòu)造措施

轉(zhuǎn)角窗處樓板處于房屋外角邊緣，其外角邊界是由梁支承而不是墻支承，且扭轉(zhuǎn)剛度較差。故在墻肢端點(diǎn)處宜設(shè)置與樓板等厚度的暗梁，梁寬0.5～1.0m。暗梁的配筋宜上下相同，配筋率不宜低于0.2 和45ft/fy 中的較大值，并宜配置箍筋，宜不小于Ф6～Ф18@200～250mm，如樓板厚度不夠150mm，沒(méi)有條件在板內(nèi)設(shè)置暗梁時(shí)，應(yīng)沿斜向配置6Ф16(600 寬范圍內(nèi))下部鋼筋，均錨入角窗相連墻端暗柱內(nèi)，近似等代拉梁。轉(zhuǎn)角窗處樓板厚度應(yīng)按房間四邊尺寸大小經(jīng)計(jì)算確定，宜適當(dāng)加厚(在140～150mm 之間)。樓板配筋也應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)，宜采用雙層雙向Ф12@150～Ф14@150，并宜直通伸人相鄰房間板內(nèi)適當(dāng)長(zhǎng)度，板的配筋率不宜小0.25-0.3%。

[1]中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPMCAD.SATWE 用戶手冊(cè)及技術(shù)條件，2008.

[2]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011-2001).中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[3]混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50010-2002).中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[4]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ3-2002).中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

[5]建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB5O009-2001).中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.