高层工业与民用建筑剪力墙设计.pdf

2023 年第 8 期河南建材高层工业与民用建筑剪力墙设计原庆峰国策众合（北京）建筑设计有限公司晋城太行分公司（0 4 8 0 0 0）摘要：近年来，我国经济发展迅速，城市化进程加快，社会的各个领域都在不断发展，剪力墙在高层工业和民用建筑中的应用越来越广泛。在社会经济高速发展的今天，人们的观念也在逐渐转变。随着科技水平的提高，高层工业和民用住宅建设中最常用的是框架剪力墙结构和纯剪力墙结构，所以要对剪力墙进行更深层次的研究，从而提高其设计水平，满足人们的生产和生活需要。关键词：高层建筑；剪力墙；设计0前言现代建筑的结构设计，与以往相比有很大的不同，对建筑质量的要求也越来越高。在建筑结构设计时，必须优化对剪力墙的布局，以提高整体的使用效率。尽管剪力墙的设计方法很成熟，但是在实际应用中，还需要综合考虑。随着我国经济的快速发展，高层工业与民用建筑的设计和建造技术都有了很大的提高。当然，对于这种特殊的剪力墙结构，在设计时也有较高的要求。1剪力墙结构概况剪力墙结构不仅要符合建筑的总体布置，而且要符合建筑的平面结构。剪力墙是建筑的一种构件,具有抗震、抗风、传递荷载的功能，是建筑的一种隔断结构,所以剪力墙结构是建筑的主体。剪力墙结构的空间较小,因此一般在建筑中采用混凝土结构,不仅节省了建筑高度,还增加了空间的利用。剪力墙结构之所以能够得到广泛应用，主要原因在于其在空间和整体结构方面均具有很好的抗侧向能力和承载力。2剪力墙的特点及类型2.1剪力墙施工特征分析剪力墙的施工具有客观性，只有正确掌握剪力墙的施工特点，才能正确地解决施工中存在的问题，并使其具有合理的使用特性。其特点是：侧向位移少；内部墙壁平整；结构自重大，自动吸收地震能力强；施工工程复杂，成本高。2.2结构剪力墙的划分2.2.1实心墙体实心墙体是无孔洞或孔洞不超过1 5%的墙体。其受力特性：一种悬臂结构。在高度上,弯矩曲线没有发生突变，也没有出现逆弯点，主要是弯曲变形。2.2.2整体小孔剪力墙在墙体上有孔面积超过1 5%，但仍然很小的墙体。其受力特征：弯曲曲线在连梁位置出现突变，在全墙高处不存在或仅在个别楼层出现，2.2.3双肢或多肢剪力墙有较大的孔洞或孔洞排列的墙体。其受力特征类似于整体开孔的墙体。2.2.4墙体结构墙体具有较大的孔径，且连接梁的刚度与墙体的线刚度接近。其受力特征：在楼板上的弯矩曲线会发生突然的变化，大部分楼层都会出现倒弯点。3剪力墙结构的设计原则3.1剪力墙结构的布置剪力墙的平面布局应遵循均匀、对称、简单、规则的原则，通常应采用双向受力体系，并在结构的各个轴线上设置剪力墙，使得其横向刚度近似。当平面形状具有较大的凹凸时,应将剪力墙置于突出部位的末端2。剪力墙结构垂直布局应遵循从下到上的连续性，应贯穿整个建筑高度，以防止发生刚性突变,并使门窗洞口成排对齐。对建筑物、电梯间等竖井，应尽可能地与邻近的受侧力结构相结合。在设置剪力墙内外结构时,应采取拉通的方法。3.2剪力墙间距的要求在建筑设计中采用剪力墙，目的在于调节结构的刚度，增强其抗水平荷载的能力，从而防止结构发生较大的扭转和变形，防止剪力失效。按有关规定，刚性中心和质量中心必须保持一致，所以在布置剪力墙时,其稳定性、刚度与其布局的数目无关。应适当控制布置间隔，否则，将造成整体结构的刚度增大，从而降低设计的经济性。对剪力墙间距的科学、合理布置能够使剪力墙结构构件的抗侧力性得到最大程度的发挥,从而使其合理使用。剪力墙宜均匀分布于建筑周边、楼梯间、电梯间、平面形状变化和静载荷大的区域，剪力墙的间隔不能太大，通常按楼板的跨度限定剪力墙的间距,并且当这些Henan Building Materials设计与施工61河南建材2 0 2 3年第8 期剪力墙之间的楼盖有较大开洞时，剪力墙的间距还应适当减小。3.3剪力墙的数量剪力墙的个数要严格按要求进行，并充分考虑结构的体型、高度等因素。从抗震性的角度来看,要想提高抗震能力，就必须加大剪力墙的数量。随着剪力墙数量的增多,结构的抗侧向力性能得到了增强。结构受到的地震力相应增大,剪力墙的耗材也相应增大，两者之间不呈比例关系。因此,在设置剪力墙时，应尽可能地减小剪力墙的数量，并尽可能地降低结构的自重。4剪力墙结构的设计细节4.1对剪力墙平面的合理布置在剪力墙的布局中,应尽量做到简洁、规则，同时剪力墙的长度也要合理。剪力墙平面复杂，墙肢过长，易产生过大的局部刚度和应力集中。因此,剪力墙通常应该沿着平面的主要轴线方向排列：当建设筑呈矩形、L形、T形平面时，剪力墙可以沿着两条计垂直的轴向排列；当建筑物为三角形或Y形平面时，可以在三个方向上设置剪力墙；当建筑为正多与边形、圆形或弧形平面时，剪力墙可以在径向和环施形上设置。在具体设计时,应尽量沿中轴方向对称工布置,墙板的平面形状宜为L、T 形,尽量减少采用一字形的平面。4.2对剪力墙墙肢的正确处理在剪力墙的设计中，必须确保其延展性，因为在地震时，很容易导致大型墙腿的损坏,所以,剪力墙的长度不宜过长（通常为8 m）,对于一些长的剪力墙，必须设置一部分洞口，以减少地震的影响。可设置连梁，将其划分为几个长度均匀的墙体，每个墙体的高度与墙体的长度之比不得低于3。当然，在使用短肢剪力墙时,也受到了严格的限制（截面厚度不超过30 0 mm，各肢截面高度与厚度比为4 8）。一般认为，在高层建筑的抗震设计中，不能只使用短肢剪力墙。B级以上的高层建筑和9 度地震设防烈度为A以上的高层建筑，不宜使用短肢剪力墙。4.3对边缘构件的合理布置剪力墙的边缘构件是剪力墙特有的一种形式，其的两端和洞口的两侧都要设有边框，以提高其受力特性。沿边构件分为构造型及约束型两种，通常为暗柱或端柱，在设计时应考虑其结构的布置和受力状况，确定和选取剪力墙的边部。对于普通1 3级的剪力墙，在底层剪力墙的轴压比大于规定的情62况下，应在其下部加强区域设置约束式边沿。对局部框架式剪力墙，不论其抗震级别如何，通常在其上面两层都设有约束型边缘构件。当有端柱时，在楼盖上应设暗梁，而在墙底加强部位的端柱和剪力墙的端柱一般都是沿着全高加密的。当楼面梁与剪力墙的外部连接时，不能用梁支撑,应沿着横梁的轴线方向布置剪力墙，并将梁的纵筋固定在墙内，或在支撑梁的位置设置扶壁或暗桩。通常，当墙体的横断面高度与壁厚之比小于4 时,应考虑采用框架柱进行截面设计。4.4洞口处理在进行剪力墙结构设计时，必须考虑到洞口的大小、数量、位置、分布等因素的影响,因此,在的剪力墙布局中，必须确保剪力墙的上下墙门窗或者设备洞口的一致性，避免出现墙体宽度差异太大的孔口。若建筑外形或生产工艺的要求不一致时,通常可以采用纵向最宽的孔口尺寸排列（在许可的范围之内）,通过填充墙达到一致。还要在一定的数量上对剪力墙进行控制，在同样的横切式剪力墙上，尽量不要多于三个。下部加强部位不宜使用上下洞孔不一致的错洞墙，全部高度不宜使用部分重叠的叠合错洞墙，并确定墙脚和连梁的具体位置，二者的刚度不可相差太大。4.5对过渡层的合理设计当竖向构件不连续时，建筑结构会产生过渡层。如底层为大型购物中心，上层为小型住宅小区，中间区域为过渡层，其受力比较复杂，传递力也不清楚。在实际设计中,结构基础剪力墙在地震时会承受很大的载荷，从而导致其在过渡层内不能维持原来的承载力，所以必须对其进行适当的设计，使过渡层在后续能够更好地传递地震剪切力，从而提高过渡层的可塑性和能耗。5高层民用建筑中剪力墙结构设计的应用5.1平面的布置在剪力墙结构的设计中，要确定墙的平面布局，并按照一定的设计原理，使剪力墙的平面中心与刚性完美地结合，使其充分发挥其最大的特性，达到平衡墙的受力。在进行剪力墙的平面布局时，首先要沿着主轴的方向进行多方向以及双重方向上的布置，从而达到合理的平衡。5.2优化剪力墙结构计算在考虑高层建筑的层间位移与层高之比的基础上，应考虑最小的剪力系数。在此基础上,还应考Henan Building Materials2023 年第 8 期河南建材虑剪力墙连接梁的超限、底部轴压比是否满足规范的规定。计算参数的选择非常关键。5.2.1周期衰减系数当墙体数量多时剪力墙结构，周期衰减系数为0.91.0。当墙体数量少时，周期衰减系数按1.0 计算。填充墙对主体结构周期的折减，是指填充墙体的刚度对主体结构的刚度有一定的影响。当主体结构刚度较大时，填充墙对主体结构的影响较小；当刚性较低时，填充墙的作用较大；大的刚性对主体结构的影响也很大，低刚度对其影响较小。5.2.2模态数目必须确保模态参与质量达到9 0%。在不耦合的情况下，高层建筑物的振动模型数n大于9,耦合时n大于等于1 5。对多塔结构的模型数n=X9。5.2.3连梁的刚度降低系数在计算连梁的内力、位移时,其折减系数宜为0.5。在采用风荷载的情况下,连梁的刚度折减系数应在0.8 以下。5.3优化剪力墙结构连梁设计连梁是高层剪力墙结构的重要耗能部件，而连梁又是结构抗震设计的“保险丝”,其主要功能是耗能。因此，必须对剪力墙结构的连梁进行优化，对连梁强剪弱弯进行反复校核，保证连梁在完成后的弯曲破坏要比剪力破坏来得迟。另外，不能随意加大连梁纵筋和箍筋，前者会导致无法满足“强剪弱弯”的要求，后者会导致剪切破坏提前发生。如在连续梁跨高比超过5的情况下，不能降低结构的刚度，必须根据结构梁的要求进行设计，可以把跨高比例提高到6，这样既能避免因刚度不变而造成的剪力过大，又能降低钢筋混凝土用量及降低投资费用。5.4厚度设计对剪力墙结构进行设计时，需要对其进行厚度设计。厚度的设计要有弹性，不能太厚。在某些情况下，超厚的剪力墙结构会对结构的设计产生不利的影响，从而引起严重的安全隐患。因此，在剪力墙结构中,厚度的设计是最重要的,应使其合理。在剪力墙结构的设计中，必须严格按照国家的相关法规。在确定剪力墙的厚度时，必须根据震级来确定。对于一级和二级的建筑物,其底层加强范围的剪力墙厚度不能小于2 0 0 mm，也不能小于无肢长的1/1 6。抗震等级为三级或四级的房屋，其底层加强范围的剪力墙厚度不得少于1 6 0 mm，且不得少于层高或无肢长的1/2 0,其他部分不得少于1 4 0 mm。因此，在剪力墙结构的设计中，必须严格遵守国家有关的法规，以保证结构的稳定性。5.5墙身钢筋的配置墙身是剪力墙结构的主体，也是承载力的重要基础,所以,在选用墙体的钢筋时,要严格地按照相关规定或者国家标准进行，并对其合理的钢筋比例进行严格的校核。在计算剪力墙的钢筋比例时，必须对纵向和横向的承载力进行全面的分析与计算，确保其抗震性能达到要求。在剪力墙结构的一、二、三级抗震设计中，竖向和横向两种墙体的配筋比例不得小于0.2 5%。对钢筋的间距也要严格，无论竖向或横向，钢筋间距通常在30 0 mm，直径不得小于8 mm。5.6剪力墙中的墙肢处理由于剪力墙具有一定的延展性,所以在进行剪力墙结构设计时，必须充分考虑其的延展性，重点关注其脆性断裂。对于具有较长墙体的剪力墙，应对墙体进行多分段的切割，以防止墙体的延展性受损。6结语随着建设项目的快速发展，许多的结构设计都需要从长远的眼光考虑，一旦有了缺陷，就会对以后的整体发展产生不利的影响。为了获得更好的建筑效果，必须在剪力墙结构设计中充分利用其优势。设计人员应当不断地探索、研究，提高剪力墙的设计水平，同时，建设单位也要严格控制剪力墙的施工，确保剪力墙的质量。因此，从总体上改善工业和民用高层建筑的质量，是提高我国高层建筑技术水平的一个重要途径。参考文献：1刘剑.高层建筑剪力墙结构优化设计探讨.技术与市场，2011,18(5):50.2陈耀.高层建筑剪力墙结构优化设计分析探讨.福建建材,2 0 1 1(4):36-37.3赵琨.高层民用建筑剪力墙结构设计探讨.住宅与房地产,2 0 1 8(6):6 5.设计与施工63Henan Building Materials