剪力墙结构设计与概念设计
摘 要:本文主要对剪力墙结构的平面布置、墙肢截面厚度、剪力墙约束边缘构件和连梁的设计等进行了探讨。相对于框架结构来说，剪力墙结构室内无柱及梁的棱角露出，更为美观，使用功能也更好，且增大了使用面积。
关键词:剪力墙；结构设计；平面布置； 边缘构件 1 引 言
随着商品住宅建筑在我国城市建设中的发展，10层以上的高层住宅建筑大量采用剪力墙结构。相对于框架结构来说，剪力墙结构室内无柱及梁的棱角露出，更为美观，使用功能也更好，且增大了使用面积，故受到开发商和业主的广泛欢迎。
《建筑抗震设计规范》GB 50011-2001及《高层建筑混凝土结构技术规程》J GJ 3-2002颁布实施后，新规范对剪力墙结构的规定更为严格和详细。新规范将剪力墙边缘构件分为约束边缘构件和构造边缘构件，并对短肢剪力墙做了更严格的限制。所谓短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5～8的剪力墙，一般剪力墙则是指墙肢截面高度与厚度之比大于8的剪力墙。
2 剪力墙结构的平面布置及概念设计
在结构设计中，为了做到安全和经济，剪力墙结构的侧向刚度不宜过大，可将其楼层层间最大位移与层高之比控制在1/1100～1/1300之间。对于高层住宅，底部剪力墙截面总面积与楼面面积之比大约在
6%～8%，剪力墙的体积与总建筑面积之比大约在16%～20%。剪力墙平面上分布要力求均匀，使其刚度中心和建筑物质心尽量接近，以减小扭转效应，必要时通过改变墙肢长度和连梁高度调整刚心位置。住宅建筑中往往会有很多短肢剪力墙，应结合建筑平面，采用L，T，Z，十字形等截面形式，且翼缘长度大于其厚度的3倍。一字型剪力墙抗震性能较差，应尽量避免。剪力墙墙肢截面高厚比宜大于5，墙肢之间的梁净跨宜小于6.0 m，否则梁高会太大，影响室内净高。为满足“筒体和一般剪力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%”的要求，应使部分墙肢截面高厚比大于8，使之成为一般剪力墙，非加强区则可视情况将墙肢长度适当减小。
振动台模拟地震试验结果表明，建筑平面外边缘及角点处的墙肢、底部外围的小墙肢、连梁等是短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节。对这些薄弱环节，应加强概念设计和抗震构造措施。
(1)当有扭转效应，会加剧建筑平面外边缘及角点处的墙肢已有的翘曲变形，使其首先开裂;在水平地震作用下，高层短肢剪力墙结构以整体弯曲变形为主，底部外围的小墙肢承受较大的竖向荷载，破坏严重，尤其一字形小墙肢破坏最严重。为了尽量消除扭转不规则，可增加建筑物周边墙肢长度或连梁高度，这样能明显增大结构的抗扭刚度。另外，应增大这些部位墙肢纵筋和箍筋的配筋率，加强边缘构件配筋，严格控制轴压比，以提高墙肢的承载力和延性。
(2)在短肢剪力墙结构中，由于墙肢刚度相对减小，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。因此，在计算时，对跨高比不小于5的梁应按框架梁考虑，连梁的刚度折减系数也不宜太小。
特别应注意的是，设转角窗(阳台)会降低结构的侧向刚度和抗扭刚度，且外墙内力显著增大，开洞的角部各构件扭转效应明显，因此应尽量避免。必须设置时，宜作如下处理:
(1)转角处沿窗线设置挑梁并相交。
(2)窗边2道墙体应避免采用单片剪力墙和短肢剪力墙，适当加大墙肢配筋，并控制轴压比。
(3)靠窗边的墙端暗柱配筋加强，尤其是箍筋加强，必要时暗柱可按约束边缘构件配筋，或在建筑允许的情况下，靠窗边的墙端设端柱。
(4)将该房间的楼板加厚，双层双向配筋加强。
(5)板内设斜向暗梁(或斜向拉结筋)，以连接窗边两墙体，或在建筑允许的情况下，直接设斜向连梁。
(6)转角窗窗下填充墙设置构造柱。 3 剪力墙墙肢截面厚度
高规(J GJ 322002)第71212条第1～3款规定了剪力墙的最小厚度，其主要目的是保证剪力墙出平面的刚度和稳定性能。现将第1～3款的要求列表如下，见表1。
表1 剪力墙截面最小厚度
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、二有 底部加强区 其他部位
HI16；200mm HI20；160mm HI20；160mm HI25；160mm HI25；160mm
HI12；200mm HI15；180mm 同左 同左 同左
三、四级 底部加强区 其他部位
非抗震
注:H—层高或剪力墙无肢长度的较小值。
对短肢剪力墙结构，高规(JGJ 3-2002)规定其抗震等级应比表4.8.2规定的抗震等级提高一级采用，故除6度区外，短肢剪力墙的抗震等级至少为二级。对于住宅建筑，填充墙厚一般为200 mm，相应剪力墙厚也取为200 mm。住宅层高一般为2.8～3.0 m，故2层楼面以上墙厚取200 mm，除底部加强区的一字形短肢剪力墙外，均能满足规范要求。
对于无地下室的高层住宅，因其基础埋深一般在2.5 m以上，则底层墙体高度会到5.0 m以上，若按层高的1/16确定墙厚，将超过300 mm，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，尽量不用一字形剪力墙，而采用L，T，Z，十字形等截面形式，且翼缘长度大于其厚度的3倍，这样，一方面墙体抗震性能更好，另一方面墙厚也可取为剪力墙无肢长度的1/16。由于住宅建筑中剪力墙肢长一般小于3.0 m，故厚度采用200mm满足构造要求。
对一字形剪力墙，底部加强区墙厚不应小于H/12(一、二级)，则无地下室的底层墙厚将超过400 mm，其余底部加强区墙厚也将在250 mm以上，很不经济，建筑上往往也不能接受。对此，可有2种处理办
法:
(1)底层加现浇板。在底层一字形剪力墙所在的房间设现浇板，这样可将层高降低，再根据高规(J GJ 3-2002)附录D验算墙体稳定。
对200 mm厚墙肢，3.0 m层高，C30混凝土，有Ec=3.0×104 N/mm2，t=200 mm，l0=β，h=3000mm。
则墙顶等效竖向均布荷载设计值q应满足:
q≤ Ect3/10l02=3.0×104×2003 /10×30002=2667KN/m 一般情况下均能满足此稳定要求。
(2)设端柱。在一字形剪力墙端部设端柱(其截面边长大于2倍墙厚)，这样可按剪力墙无肢长度的1/16(一、二级)或1/20(三、四级)确定墙厚，200mm的墙厚一般均满足要求。由于非加强区墙厚要求为层高或无肢长度的1/15(一、二级)或1/25(三、四级)，故非加强区可取消此端柱。这种只在下部2层加端柱的处理，往往也能得到建筑专业的认可。
4 约束边缘构件的设计
抗震规范(GB 50011-2001)及高规(J GJ 3-2002)规定，一、二级抗震设计的剪力墙底部加强部位及其上一层的墙肢端部应设计约束边缘构件，在阴影部分箍筋的体积配箍率ρv按下式计算: ρv=λv×（fc/fyv)=0.2×（fc/fyv)
约束边缘构件最小体积配箍率ρv见表2。
表2 约束边缘构件最小体积配箍率ρ(%)
钢筋级
混凝土强度等级