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剪力墙结构的抗震设计与经济性分析
【摘要】在高层建筑结构设计中，剪力墙结构体系因具有整体性好、刚度大、侧向变形小、抗风与抗震性能好等特点，因而在高层建筑特别是住宅建筑中被大量采用。本文笔者根据多年来的工程设计实践，对高层建筑剪力墙结构的抗震设计与经济性进行了分析。
【关键词】剪力墙抗震设计经济性
中图分类号：s611文献标识码：a 文章编号：
随着经济的发展,目前我国城市用地紧张，住宅建设项目多向空间纵深发展，建筑控制高度通常接近100m。一个值得注意的现象是,设计者出于结构的安全或设计进度等方面的考虑而对结构设计采取相对保守的结构布置方案,一定程度上忽略了结构的合理性和经济性。因此对剪力墙结构的布置进行适当的优化分析显然十分必要。
一、剪力墙抗震设计目标
剪力墙的抗震设计目标是指剪力墙在遇到不同程度的地震时，对建筑结构、建筑构件的损坏程度及人身安全的综合要求。根据《建筑抗震设计规范》，将抗震设计的目标与3种强度的地震对应，分为三个级别，具体描述如下：
第一种级别：在正常荷载使用或遭遇多遇地震（也称小震）作用下，剪力墙不受损坏或不经修理仍可使用；第二种级别：当遭受中等强度地震作用时，剪力墙遭受一定的损坏，经一般修理或不经修理仍可使用；第三种级别：在遭受罕遇地震作用下，剪力墙不能够倒塌或发生危及生命的严重损坏。行业内通常将其总结为“小震不坏，中震可修，大震不倒”。
二、剪力墙抗震设计要点
1、剪力墙的概念设计
剪力墙的概念设计是指在难以进行精确力学分析的情况下，不经过确定的数值计算 ， 从整体角度对剪力墙的结构和具体实施进行宏观控制。在方案设计阶段 ， 就应该进行深入的概念设计 ， 建立多道抗震防线 。 剪力墙结构主要适用于下列形式 ： 内外墙为现浇混凝土结构 、 内墙为现浇混凝土结构外墙为框架结构 、 短肢剪力墙较多的剪力墙结构。短肢剪力墙指的是 墙肢 厚度不大于 300mm 时，墙肢 的长度为厚度的 4 -8 倍剪力墙结构 。 实践表明，建筑外边缘和角点墙肢、底部外围墙肢、连梁等是剪力墙结构抗震薄弱环节 ， 对于这些薄弱点 ， 要加强概念设计 。 墙段与墙肢的高度比应大于 2 ，墙肢超 8 米要设洞口 ， 各墙段之间设连梁 ， 连梁长度不宜超 6.0 米 ， 否则会形成局部长剪力墙 。墙段边翼长度大于厚度的 3 倍，尽量双向布置，避免一字墙。《 高层建筑混凝土结构技术规程 》中规定了剪力墙的最小厚度。
同时《抗规》根据层高和剪力墙的长度对剪力墙的厚度也做出了规定：一、二级时不宜小于层高或无支长度的 1/20 ， 三 、 四级时不宜小于层高或无支长度的 1/25 ； 无端柱或翼墙时 ， 一 、 二级时不宜小于层高或无支长度的 1/16 ， 三 、 四级时不宜小于层高或无支长度的 1/20 ；底部加强区的墙厚 ， 一 、 二级时不宜小于层高或无支长度的 1/16 ， 三 、 四级时不宜小于层高或无支长度的 1/20 ；无端柱或翼墙时，一、二级时不宜小于层高或无支长度的 1/12 ，三 、 四级时不宜小于层高或无支长度的 1/16 。
2、剪力墙的平面设置
剪力墙结构的竖向荷载和水平向荷载都由剪力墙的墙体承受，所以剪力墙结构应沿着主轴线方向布置。剪力墙平面上力求简单、规则、对称，否则建筑物的质心和刚度中心会有较大偏移，一旦受到水平荷载作用，剪力墙结构会绕着刚度中心发生扭转。单片剪力墙的突出长度不能过长，过长的剪力墙容易受剪，抗震性脆弱，一般要求剪力墙的墙段长度不宜大于8m。剪力墙的侧向刚度不能过大,《高层建筑混凝土结构技术规程》中明确规定：对于a级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80％；对于b级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的75％”。
3、剪力墙的抗震计算
概念设计完成以后，开始对剪力墙主体和各个构件进行细化计算。剪力墙主体抗震计算涉及到以下几个变量值：《抗规》规定：一、二、三级抗震墙在重力荷载代表值的作用下墙肢的轴压比，一级时，9度不宜大于0.4,7、8度时不宜大于0.5，二三级时不宜大于0.6。轴压比越大剪力墙的延性越差。同时《高规》和《抗规》对楼层最小地震剪力系数值做了明确规定。
刚度比代表剪力墙竖向规则性，水平位移比，周期比，刚重比代表结构的稳定性。考虑偶然偏心影响的规定水平地震作用下，a级高度剪力墙结构楼层竖向构件最大水平位移和层间位移位移比不宜大于楼层平均值的1．2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍。结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期比不应大于0．9；另外《高规》还规定，高度不大于150m的剪力墙结构按弹性方法计算的风荷载或多遇地震标准值作用下的楼层层间最大水平位移与层高之比不宜大于1/1000。 剪力墙结构的构件计算主要包括连梁的计算和约束边缘构件的计算。
连梁是连接墙肢与墙肢、墙肢与框柱的梁，主要功能是连接两片剪力墙，使两片剪力墙在遭遇水平向荷载时协同工作。连梁在设计时，应遵循“强剪弱弯”的原则，使纵向弯曲损坏先于横向的剪切损坏，以免发生抗弯剪超筋。连梁计算包括正截面抗弯力计算和斜截面抗剪切力计算。对于连梁的非抗震设计、跨高比小于2.5的抗震设计、跨高比大于2.5的抗震设计，墙肢切面的受剪力和配筋设置，高规中有不同的要求且给出了计算公式。
连梁配筋要尽量采用截面对称配筋，以承载水平方向的剪力，防止剪力墙斜向损坏导致耗能力下降。在对连梁结构进行计算时，要相应程度的折减连梁的刚度，避免出现连梁裂缝的情况。在确保其功能的情况下，连梁的纵筋应该尽可能的小，保证在连梁在地震时起到耗散能量的作用。连梁的主筋和侧筋的直径、高度相同时，尽量做到“能通则通”；当墙肢厚度超过700mm，侧筋的直径宜大于10mm，箍筋率应大于0.003.
三、剪力墙结构优化设计分析
1、剪力墙结构设计的经济分析
剪力墙结构设计中应注意的问题。剪力墙结构的坑侧刚度大，结构周期小，地震响应大；剪力墙结构墙体越多，建筑物的重量越大，地震反应也大，会造成浪费；另外，剪力墙结构墙体多为构造配筋，如果配筋太低，则结构延性差。
刚度较大的结构一般震害较轻，但是，一般情况下，建筑物的刚度越大，工程费用越高。因此，剪力墙结构应满足规范中的关于结构水平位移和地震力的要求，但如果要做到安全适用，经济合理，就必须在实际工作中有所判断，将结构水平位移和地震力控制在合理范围内，然后检查结构的内力和配筋。
2、优化结构设计，降低工程造价
(1)优化结构设计，使结构受力均衡，技术应用得当，整体安全可靠度一致，任一结构都能同时发挥其最大作用，这样设计出的结构才能达到既经济，又合理的目的。
从结构设计整体布局来看，在水平荷载作用下，剪力墙的暗柱配筋往往是构造配筋，暗柱断面的确定与剪力墙的布置有密切的关系，而构造配筋与暗柱断面又有着一一对应关系。由于剪力墙布置的差异，一片剪力墙两端暗柱的断面可能差6倍～10倍。配筋也相应差6倍～l0倍。而剪力墙在不同方向的水平荷载作用下是具有对称性的。这样设计出的结构就会造成极大的浪费，因此，首先调整剪力墙的布置，尽可能使之对称这样即节省了造价，又增加了结构安全性。
(2)造成结构浪费往往是由于设计人对某种结构概念理解不透而导致的。例如：某18层综合楼，由内筒外框组成结构。外框柱距7.2m，外框与内筒距离9 m设计人员将外框边梁做成lo00mm×750mm，目的是增加边梁的抗剪能力，引入剪力滞后的概念，加大外框结构的刚度。实际上，该工程由于外框柱距 7.2mm，很难产生剪力滞后效应，边梁采用lo00mm×750mm与采用350mm×750mm对外框的变形是相同的，不会增加结构的刚度，反而会因为增加重量，加大结构自身的负担，对结构不利。设计人员如果不能准确把握结构概念，就会造成浪费。
结束语
在未来，高层建筑必然会不断增加，这不但是社会以及人口发展的需要，也是经济发展的客观需求，合理的控制好结构设计是每一栋高层建筑必须要面对的问题。但是市场竞争日益激烈，如何减少用钢量，降低造价，成为竞争成败的关键。在进行高层建筑剪力墙的经济性设计时，应充分考虑结构布置和剪力墙的形式、剪力墙的厚度、配筋率、结构自重及刚度等多种相互制约因素的影响。因此，要加强剪力墙优化概念设计，重视影响结构技术经济的因素，考虑综合效益，以达到降低工程造价和材料消耗量的目的，取得更加合理、经济的设计结果。
参考文献：
[1]徐培福，傅学怡，肖从真.复杂高层建筑结构设计[m].北京：中国建筑工业出版社，2005．
[2]梁启智，冯建平，王中慧.高层建筑框架一剪力墙结构设计实例[m].广州：华南理工大学出版社，1992．
[3]李桂青. 抗震结构计算理论和方法[m].北京: 地震出版社,1985.
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