剪力墻結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)及布置數(shù)量影響因素的研究

方君仲（廣州市住宅建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州510000）

剪力墻結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)及布置數(shù)量影響因素的研究

方君仲（廣州市住宅建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州510000）

高層甚至超高層建筑反映一個(gè)城市的現(xiàn)代化程度，此類建筑總與剪力墻結(jié)構(gòu)密不可分，剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理直接影響著建筑的質(zhì)量?jī)?yōu)劣。本文主要研究剪力墻結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)與剪力墻布置數(shù)量影響因素，旨在為工程人員設(shè)計(jì)性能良好的剪力墻結(jié)構(gòu)提供參考。

高層建筑；剪力墻結(jié)構(gòu)；受力特點(diǎn)；布置數(shù)量

1 引言

目前我國(guó)高層建筑多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)度、抗震性能良好、塑性耗能能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而對(duì)高層住宅的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)多采用剪力墻結(jié)構(gòu)形式。剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需從兩個(gè)方面進(jìn)行考慮，即安全性、經(jīng)濟(jì)性；清晰地認(rèn)知剪力墻結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)對(duì)控制結(jié)構(gòu)安全性具有重要意義，而剪力墻布置的數(shù)量多少直接影響結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，因此對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)及布置數(shù)量影響因素的研究具有相當(dāng)?shù)膬r(jià)值。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)分類及受力特點(diǎn)

用鋼筋混凝土剪力墻（用于抗震結(jié)構(gòu)時(shí)也稱為抗震墻）承受豎向荷載、水平地震作用和風(fēng)荷載的結(jié)構(gòu)稱為剪力墻結(jié)構(gòu)，也稱為抗震墻結(jié)構(gòu)。剪力墻具有很大的剛度，當(dāng)在建筑合適部位設(shè)置剪力墻時(shí)，能夠形成一種有效抵抗水平作用的結(jié)構(gòu)體系，在建筑結(jié)構(gòu)中設(shè)置剪力墻，結(jié)構(gòu)的抗震性能可以得到有效改善。剪力墻結(jié)構(gòu)由于建筑功能需要，需在墻身開(kāi)洞口，洞口大小可直接影響剪力墻的受力特點(diǎn)及抗震性能，根據(jù)剪力墻墻身所開(kāi)洞口、連梁約束墻肢的程度、剪力墻墻肢慣性矩比值的不同可劃分為四種類型：整截面墻、整體小開(kāi)口墻、聯(lián)肢墻與壁式框架，如圖1所示。

2.1 整截面墻

整截面墻的墻身門窗洞口開(kāi)孔面積不超過(guò)整體墻面面積的16%，且孔洞至墻邊的凈距大于孔洞長(zhǎng)邊尺寸，則忽略洞口對(duì)剪力墻抗震性能的影響。這類墻體按整體懸臂墻計(jì)算，視為靜定結(jié)構(gòu)，受彎曲變形后墻肢平截面假定仍成立，墻肢截面法向應(yīng)力呈直線分布狀態(tài)。

圖1 剪力墻類型

2.2 整體小開(kāi)口墻

整體小開(kāi)口墻的墻身洞口面積要大于整截面墻，在側(cè)向力作用下墻肢會(huì)出現(xiàn)局部彎矩，但一般不超過(guò)總彎矩的15%，局部彎矩的存在會(huì)使墻肢產(chǎn)生局部彎曲應(yīng)力，使得截面的法向應(yīng)力稍偏離直線。無(wú)法單獨(dú)用墻身洞口面積的多少判定剪力墻是否屬于整體小開(kāi)口墻，還需引入剪力墻整體工作系數(shù)α以及墻肢慣性矩比In/I。

剪力墻整體工作系數(shù)α反映了連梁與墻肢之間的相對(duì)剛度比值，整體工作系數(shù)α越大，則可說(shuō)明連梁的剛度越大，剪力墻的整體性越好，從而剪力墻的抗側(cè)剛度越大，與此同時(shí)，墻肢的整體彎矩占總抵抗彎矩比例增大，墻肢局部彎矩所占比例減??；隨著洞口的加大，剪力墻的整體工作系數(shù)會(huì)減小，但是減小到一定程度時(shí)又會(huì)增大，形成壁式框架。因此僅從整體工作系數(shù)α仍無(wú)法確定剪力墻類型，仍需判斷墻肢彎矩沿高度方向是否會(huì)出現(xiàn)反彎點(diǎn)，即墻肢慣性比In/I是否超過(guò)限值ζ；整體小開(kāi)口墻須滿足α≥10且In/I≤ζ。

2.3 聯(lián)肢墻

聯(lián)肢墻的墻身洞口面積比整體小開(kāi)口墻更大且上下對(duì)齊成列布置，使得連梁剛度比墻肢小很多。在側(cè)向力作用下，連梁中部會(huì)出現(xiàn)反彎點(diǎn)，各剪力墻墻肢單獨(dú)作用顯著，剪力墻整體性遭受破壞不如整體小開(kāi)口墻，可看成若干單片剪力墻墻肢由連梁聯(lián)結(jié)而成。由于連梁對(duì)墻肢的約束作用不大明顯，墻肢局部彎矩增大，整個(gè)剪力墻截面法向應(yīng)力已不再成直線分布。聯(lián)肢墻在工程中的一大運(yùn)用是剪力墻很長(zhǎng)時(shí)，可以將墻分成較短的墻肢，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震延性。當(dāng)洞口為一列時(shí)為雙肢墻，否則為多肢墻。聯(lián)肢墻須滿足1≤α＜10且In/I≤ζ。

2.4 壁式框架

當(dāng)剪力墻的墻身所開(kāi)洞口大而寬時(shí)，使得剪力墻墻肢寬度變小，墻肢的線剛度與連梁的線剛度很接近，此時(shí)剪力墻的受力性能與一般的框架結(jié)構(gòu)很類似，呈現(xiàn)與整體墻、整體小開(kāi)口墻、聯(lián)肢墻不同的特點(diǎn)。墻肢截面法向應(yīng)力分布明顯且存在局部彎矩，沿層高方向許多墻肢都出現(xiàn)反彎點(diǎn)。壁式框架須滿足α≥10且In/I＞ζ。

3 剪力墻合理布置數(shù)量影響因素

剪力墻的數(shù)量對(duì)于整個(gè)建筑的經(jīng)濟(jì)性具有重要意義，確定合理的剪力墻數(shù)量可視為剪力墻結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)化設(shè)計(jì)?！陡咭?guī)》對(duì)剪力墻的布置規(guī)定了一般原則：剪力墻一般宜均勻布置在建筑物的外圍四周、電梯井、樓梯間及平面形狀變化以及荷載較大部位，且剪力墻的間距不宜過(guò)大等。這樣原則性的規(guī)定仍無(wú)法確定剪力墻合理布置的數(shù)量，工程設(shè)計(jì)人員依然按照經(jīng)驗(yàn)的方法確定剪力墻的數(shù)量。

在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中，一般而言，隨著剪力墻數(shù)量的增加結(jié)構(gòu)遭遇地震作用時(shí)，其震害會(huì)較輕；但剪力墻增大到一定數(shù)量時(shí)，由于剪力墻的增加而使得結(jié)構(gòu)剛度增大，結(jié)構(gòu)周期變短，所受的地震力會(huì)更大，震害相對(duì)較重。從抗震性與經(jīng)濟(jì)性角度考慮，滿足側(cè)移、舒適度等情況下剪力墻的數(shù)量宜盡量少，在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻截面面積與樓層面積比可參考表1，每一方向剪力墻合理剛度ΣEIw數(shù)值可參考表2。當(dāng)場(chǎng)地條件不同時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況增加或減少剪力墻的數(shù)量。

框架-剪力墻中剪力墻的數(shù)量控制學(xué)者研究較為透徹，能夠提煉一些較為成熟的參考值；對(duì)于純剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻的數(shù)量控制，目前研究并非十分成熟，但可以就以下幾個(gè)因素進(jìn)行綜合考慮：

3.1 洞口、墻厚、混凝土等級(jí)對(duì)剪力墻數(shù)量的影響

表2 單方向剪力墻合理剛度數(shù)值參考表

洞口一般采用洞口率表示，隨著洞口率的增加，單片剪力墻的剛度會(huì)減小，結(jié)構(gòu)周期會(huì)變大，但側(cè)移量相對(duì)也會(huì)增加，洞口率減小時(shí)可以推導(dǎo)出相反的結(jié)果。剪力墻的厚度對(duì)結(jié)構(gòu)剛度也有影響，墻厚增加，剛度增加，周期變小。在實(shí)際工程中，調(diào)整模型時(shí)，可能涉及洞口、墻厚以及混凝土強(qiáng)度等級(jí)三者的變化，文獻(xiàn)表示剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻洞口率變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較剪力墻墻厚變化對(duì)結(jié)構(gòu)影響大，混凝土強(qiáng)度等級(jí)的改變對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度、周期影響并不明顯，所以當(dāng)結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行調(diào)整時(shí)，在規(guī)范規(guī)定的基本原則下，優(yōu)先考慮洞口率、墻厚對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)構(gòu)軸壓比過(guò)高時(shí)，考慮提高剪力墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)。剪力墻結(jié)構(gòu)的最大層間位移角一般出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中下部位，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)須謹(jǐn)慎考慮。

3.2 層數(shù)與層高對(duì)剪力墻數(shù)量的影響

結(jié)構(gòu)層數(shù)增加時(shí)，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度會(huì)減弱，為滿足結(jié)構(gòu)層間位移角、舒適度等要求，需要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，研究表明，當(dāng)建筑的高寬比小于4時(shí)，剪力墻的墻厚隨高度基本呈線性增加；而建筑的高寬比大于4時(shí)，剪力墻的墻厚隨高度會(huì)劇烈地非線性增加，墻厚也影響建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，單考慮此方面，宜控制建筑物的高寬比取在4左右。

同樣的結(jié)構(gòu)高度，當(dāng)增加結(jié)構(gòu)的層數(shù)時(shí)，相當(dāng)于增加結(jié)構(gòu)的樓板數(shù)量，會(huì)增大結(jié)構(gòu)的整體剛度，使得結(jié)構(gòu)周期變短，遭受的地震力更大，且相對(duì)于加大剪力墻厚度而言，改變結(jié)構(gòu)層數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)影響大于改變墻厚對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

4 結(jié)論

高層、超高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，須從多方面進(jìn)行綜合考慮，本文主要研究剪力墻的受力特點(diǎn)與合理布置數(shù)量，主要得出如下結(jié)論：

（1）根據(jù)剪力墻洞口、連梁約束墻肢的程度、剪力墻墻肢慣性矩比值的不同，可將剪力墻劃分為四種類型：整截面墻、整體小開(kāi)口墻、聯(lián)肢墻與壁式框架，每種形式各有特點(diǎn)；

（2）框架-剪力墻的剪力墻布置數(shù)量研究較為徹底，純剪力墻的合理布置數(shù)量須綜合考慮洞口、墻厚、混凝土強(qiáng)度、層高、層數(shù)等綜合影響。

[1]王號(hào).高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題及對(duì)策分析[J].低碳世界，2015，01：233～234.

[2]邵志堅(jiān).高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)合理剛度的數(shù)值統(tǒng)計(jì)分析[D].西安建筑科技大學(xué)，2001.

[3]劉建文.高層建筑結(jié)構(gòu)選型與布置及剪力墻合理數(shù)量研究[D].湖南大學(xué)，2006.

[4]王 濤.高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究[D].山東大學(xué)，2008.

[5]姚 琦.高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化控制因素探討[D].重慶大學(xué)，2006.

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TU973+.16

A

2095-2066（2016）05-0132-02

2016-1-20

方君仲（1981-），男，工程師，國(guó)家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，國(guó)家注冊(cè)巖土工程師，本科，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。