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。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

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(%)

表3　体积配箍率ρv(%)(bf=bw=200 mm)

约束边缘

约束边缘

表5　体积配箍率ρv(%)(bf=bw=300 mm)

约束边缘

对200～300 mm厚剪力墙的约束边缘构件配箍，可按上表的计算结果快速配箍。

对于剪力墙约束边缘构件范围内非阴影部分的配箍，作者认为不能简单将箍筋或拉筋间距取为阴影部分间距的2倍，即200 mm和300 mm。因为抗震规范(GB50011-2001)表6.4.8规定，一、二级剪力墙底部加强部位构造边缘构件箍筋沿竖向最大间距为100 mm和150 mm。作为轴压比更大的剪力墙约束边缘构件，其箍筋或拉筋的设置标准不宜低于相同抗震等级构造边缘构件的要求。

另外，当剪力墙水平分布筋间距不符合约束边缘构件非阴影部分箍筋或拉筋最大间距时，例如，水平筋间距为200 mm，而箍筋或拉筋间距为150mm，若非阴影部分只配置拉筋，则有部分拉筋将无法拉住水平筋，此时，拉筋无法对混凝土形成有效约束，不利于改善混凝土受压性能和增大延性，这种情况应考虑同时配置箍筋和拉筋。

还需指出的是，为了充分发挥约束边缘构件的作用，箍筋的长边不宜大于短边的3倍，且相邻2个箍筋应至少相互搭接1/3长边的距离。

5　剪力墙水平分布筋在边缘构件中的锚固

在设计和施工中，部分人员仅将剪力墙水平分布筋锚入边缘构件中或与边缘构件箍筋搭接，作者认为这种做法不符合规范要求。边缘构件(包括端柱)并不是剪力墙墙身的支座，其本身是剪力墙的一部分，它与剪力墙墙身之间的连接不是不同构件之间的连接，不能套用比如梁与柱连接的做法。剪力墙水平分布筋是用以抵抗水平地震作用产生的剪力，是按整片墙肢进行配置的，并未扣除边缘构件的长度;而剪力墙边缘构件中箍筋的作用是约束混凝土，改善混凝土的受压性能，使剪力墙在地震作用下具有较好的延性和耗能能力，规范中并未明确考虑其抵抗水平剪力。两者所起的作用不同，不宜混用。正确的做法是将水平分布筋伸至墙肢端部，并垂直弯折15 d(对端柱当锚入长度不小于1 a或1 ae时可不弯折)。这在标准图集(03G101-1)中表达得很清楚。

6　连梁的配筋

高层结构中，连梁是一个耗能构件，连梁的剪切破坏会使结构的延性降低，对抗震不利，设计时应注意对连梁进行“强剪弱弯”的验算，保证连梁的弯曲

破坏先于剪切破坏。因此，不能人为加大连梁的纵筋，否则，可能无法满足“强剪弱弯”的要求。文献[4]中推导出了连梁的纵筋最大配筋率和对应的箍筋面积配箍率，作者认为，其推导过程有值得商榷的地方，例如Muk的表达式中fyk应为f y，修正后得抗震设计时的ρs和ρsv如下:

ρs  ≤[αβcfc(ln/h)]/2.04ηvbfy     (1)

跨高比大于2.5时:

ρsv =Asv/bs≥1/fyv ﹛ρs [2.04ηvbfy/﹙ln/h﹚-0.42fl](2)

跨高比不大于2.5时:

ρsv =Asv/bs≥1/0.9fyv ﹛ρs [2.04ηvbfy/﹙ln/h﹚-0.38fl](3)

　　另外，应注意的是，认为加大箍筋就能保证“强剪弱弯”是不正确的，当连梁不满足截面控制条件时，盲目增加配箍的结果会导致箍筋充分发挥作用之前，连梁就已发生剪切破坏。根据高规(J GJ 3-2002)第7.2.12和7.2.13条的公式可得出连梁的最大面积配箍率如下:

跨高比大于2.5时:

ρsv max=Asv/bs=(0.2βcfc-0.42fl)/fyv(4)                

跨高比不大于2.5时:

ρsv max=Asv/bs=(0.15βcfc-0.38fl)/(0.9fyv) (5)

式中　α———截面剪压比，0.2(跨高比大于2.5时)，0.15(跨高比不大于2.5时);

　　　βc———混凝土强度影响系数，按高规(J GJ 3-2002)第6.2.6条的规定采用;

　　　ηvb———连梁剪力增大系数，一级取1.3，二级取1.2，三级取1.1。

7计算结果分析、判断和调整

对重要、复杂的高层结构，应至少用两个不同的力学模型的结构分析程序进行计算比较，并对计算结果的合理性进行判断，确认其可靠性后，方可用于工程设计。一般可参考以下各点进行分析：

根据结构类型分析其动力特性和位移特性，判断其合理性。关于周期、振型和地震力。非耦连计算地震作用时，其第一周期一般在以下范围内，即：                  

框剪结构  T1=0.08~0.12N

剪力墙结构T1=0.04~0.08N

筒中筒结构T1=0.06~0.10N

其中N为结构计算层数（对于40层以上的建筑，上述近似周期的范围可能有较大差别）。振型曲线光滑连续，零点位置符合一般规律。耦连计算时，扭转为主的周期应小于平动为主的周期的0.9或0.85。

底部总剪力也在合理范围内。对第一周期小于3.5秒的结构，底部总剪力与总重量的比一般为：7度、Ⅱ类土：Q/W=1.6%~2.8%；8度、Ⅱ类土：Q/W=3.2%~5%。

耦连计算地震作用时，其第一周期剪重比也应在常规范围内，但不能简单地与非耦连时计算比较，因其振型较为复杂，地震底部剪力与非耦连计算结果相近或略小。

关于位移。参考点位移曲线应上下渐变，不应出现大的突变，位移值须满足规范有关要求。位移与结构的总体刚度有关，计算位移愈小，其结构的总体刚度就愈大，反之，位移值愈大，其结构总体刚度就愈小，故可以根据初算的结果对整体结构进行调整。如位移值偏小，则可以减小整体结构的刚度，对墙、梁的截面尺寸可适当减小或取消部分剪力墙。反之，如果位移偏大，则考虑如何加强整体结构的刚度，包括加大有关构件的尺寸，改变结构抵抗水平力的形式、增设加强层、斜撑等。

结构计算完毕，除对整体分析结构进行判断和调整外，还应对构件的配筋的合理性进行分析判断，包括如下内容：

一般构件的配筋值是否符合构件的受力特性。

特殊构件（如转换梁、大悬臂梁、转换柱、跨层柱、特别荷载作用的部位）应分析其内力、配筋是否正常？必要时应进一步分析，包括手算（导荷载及内力计算）以及采用其他程序进行复核。柱的轴压比是否符合规范要求？短肢剪力墙的轴压比是否满足有关要求？竖向构件的加强部位（如角柱、框支柱、底层剪力墙等）的配筋是否得到反映？

8 个别构件的超筋判断和处理。

平衡性。分析在单一重力荷载或风荷载作用下内外力平衡条件是否满足。进行内外力平衡分析时需注意：

应在框架内力调整之前。平衡校核只能对同一结构在同一荷载条件下进行，故不能考虑施工过程的模拟加载的影响。

平衡分析时必须考虑全部内力。经过RSS或CQC法组合的地震作用效应是不能作平衡分析的，当需要进行平衡校核时，可利用第一振型的地震作用进行平衡分析。

由于结构整体分析无法包括所有构件，或者包括了但由于模型关系而给不出较准确的内力，故除了整体分析外，有时还需对结构的局部进行补充计算和分析。

异型板的计算模型的确定。一般楼板都是矩形板（双向板和单向板），只有在结构平面复杂情况下才不可避免地出现异形板，对于任意形状的楼板，首先从其基本形状确定主要传力方向，然后用与其面积桢或相近的矩形在受力方向上拉伸，使板块凸出矩形外的面积和凹入矩形内的央积相近，这时锁定的矩形即为任意板的计算模型。由于板支座受力方向与布置钢筋方向的不一致性，故计算时按周边简支板考虑。实际配筋时支座面筋按相邻板受力确定或构造设置，底筋则按受力方向双向配置。

框支梁与框支柱的分析和设计。整体分析时，有些程序未能恰当地反映框支梁、柱及其上剪力墙的受力及配筋情况，此时需进行局部的有限元分析。

单元格的划分，框支梁与框支柱的间距一般取250~300，剪力墙的间距一般取300~500，以确保计算精度，满足有关的配筋要求，在上机分析求得对应单元的应力后，再根据应力的分布及构造要求进行配筋，配筋时需注意：

①     除根据应力配筋外，尚应按已有的试验构件的破坏形态在薄弱位置处加强配筋。

②     框支梁应加强采筋的配置，腰筋肢数和大小及间距也应随着单元的应力的分布情况确定，而不应按一般梁的构造设置。

③     框支梁以上的二层剪力墙需特别加强。

④     有抗震设防要求的建筑物，框支梁的配筋尚应考虑其上剪力墙可能出现的裂缝改变了计算的应力分布，应根据工程实践经验适当加强配筋。

参考文献:

[1]　GB 5001122001.建筑抗震设计规范[S].

[2]　J GJ 322002.高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3]　程绍革，等.高层建筑短肢剪力墙结构振动台试验研究[J].建筑科学，2000，16(1):12216.

[4]　陈　钥.浅议连梁纵筋配筋率和超限解决方法[J].P KPM新天地，2003，(4).

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