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摘要：剪力墙结构因本身具有很强刚度，并可有效提高建筑抗震能力及抗风荷载能力而广泛应用于高层住宅的建筑设计当中。文章简单分析了高层住宅剪力墙结构设计原则、墙肢及连梁构造要求，探讨了高层住宅钢筋混凝土剪力墙结构布置的合理性，包括其布置原则及对各计算指标的合理控制。

关键词：高层住宅；剪力墙；结构布置

引言

高层住宅结构直接关系着广大人民群众的切身安全，同时也直接关系着建筑企业及施工企业的经济利益，为在保证建筑质量前提下能尽量节约施工成本，就必须不断合理优化建筑结构设计，尤其是对高层住宅起着重要安全保障作用的剪力墙结构，要特别重视剪力墙结构布置的合理性。

1.高层住宅剪力墙结构设计

1.1剪力墙结构设计原则

剪力墙结构设计的影响因素较多，首先，为抵御来源于不同方向的地震作用，剪力墙应双向均匀布置，设计时应充分考虑楼梯给整体结构所带来的影响，并依照相关要求对楼梯构件进行设计。其次，因楼层屈服机制的竖向构件发生屈服破坏先于横向构件，而总体屈服机制则是横向构件发生屈服破坏先于竖向构件，且竖向构件可正常工作，为此在设计时应注意总体屈服机制优先，这样可有效延缓整体结构被破坏。再次，因墙肢破坏为脆性破坏，延性较差，所以在设计时应注意避免总体屈服机制因连梁强度过大而使得墙肢被破坏，若连梁为整体墙，则应提高连梁与墙肢连接处的塑性铰区的抗剪强度。最后，加强塑性铰区的延性，以提高墙肢的耗能性能及延性，使得墙肢可在连梁遭到破坏时仍能继续独立工作。

总体而言，为达到剪力墙结构的设计标准，剪力墙及连梁的设计应遵循“强墙弱梁”及“强剪弱弯”的原则，这样才能有效加强剪力墙结构的抗震性能[1]。

1.2墙肢构造要求

总体而言，在高层住宅剪力墙的结构设计当中，对于墙肢构造的要求主要体现在以下方面：

第一，剪力墙的截面高度和厚度。剪力墙可视为板状竖向构件，截面高度大而厚度小，因此面内刚度大而面外刚度小，为确保剪力墙的稳定性，提出了厚度要求。按照墙肢截面的高度与厚度的比值，剪力墙可分为短肢剪力墙和一般剪力墙：短肢剪力墙是指高厚比为4—8，且截面厚度不大于300mm的墙；除此之外为一般剪力墙。短肢剪力墙因受力特性类似于异形柱，对结构不利，规范对其做了较多计算和构造方面的要求。从结构合理性和经济性角度考虑，高层住宅设计中应尽量避免采用短肢剪力墙。剪力墙也应尽量设计成互为翼墙的形式，即尽量避免一字型墙，有效翼墙可提高剪力墙墙肢的稳定性能。在抗震设防烈度为6、7度的低烈度区，可以对剪力墙开较大洞口，用弱连梁连接墙肢形成联肢墙，结构可在满足规范要求的前提下体现较好的经济性。

第二，底部加强部位。剪力墙结构底部由于受力大，加强其可能出现塑性铰的高度范围的承载力、延性对于结构抗倒塌有重要意义。通常来说，剪力墙结构底部加强部位的高度会在墙体竖向总高度的1/10及底部两层当中取较大值，这里要注意区分“底部加强部位”、“总加强范围”、“约束边缘构件范围” 的不同含义，设计需按照规范要求对剪力墙底部加强部位采取适当的内力调整及抗震构造措施。在实际工作中经常会遇到高层住宅带多层地下室的情况，有条件时应选择地下室顶板作为上部结构的嵌固部位，这样对结构是经济合理的。

第三，墙肢配筋。对于剪力墙结构的水平及竖向钢筋的配筋率，若建筑抗震等级为一、二、三级，其配筋率至少为0.25%；若抗震等级为四级或是非抗震时，其配筋率至少为0.2%，且应采取双排钢筋并利用拉筋进行连接，拉筋直径至少为6mm，拉筋间的距离不大于600mm，底部加强位置处拉筋还应适当加密；剪力墙竖向和水平钢筋直径至少为8mm，且不宜超过墙肢截面厚度的1/10，钢筋间的距离不宜超过300mm。水平分布的钢筋均应锚入端柱内，并且锚入长度不得小于相关规范的要求。短肢剪力墙竖向钢筋应作加强，底部加强部位一、二级至少为1.2%，三、四级至少为1.0%；其它非加强部位一、二级至少为1.0%，三、四级至少为0.8%。设计时应注意较长的剪力墙配筋采用“细而密”的方式，降低剪力墙混凝土开裂的可能。

第四，楼（屋）盖。在高层住宅剪力墙结构中，楼（屋）盖相当于是竖向结构的“横隔板”，起着传递竖向、水平荷载，协同构件变形的重要作用，尤其是在楼电梯间、结构平面连接处、转角窗、地下室顶板等位置，结构板厚、配筋率均应适当加强。为使楼（屋）盖能在传递地震作用中发挥作用，提高楼（屋）盖的整体性，针对高于50m的建筑应采用现浇楼板，针对存在尺寸较小洞口的高层住宅，若其抗震设防烈度为6、7度，其现浇楼（屋）盖的长宽比不得高于4；若其抗震设防烈度为8、9度，其现浇楼（屋）盖的长宽比不得高于3、2。

1.3连梁构造要求

在高层住宅剪力墙结构的设计当中，连梁是抗震设计的第一道“防线”，是耗能构件，起着“保险丝”作用，个人经验觉得连梁不宜设计过“强”，且应注意“强剪弱弯”。规范对连梁构造提出了一定要求，设计时需满足。

2.高层住宅钢筋混凝土剪力墙结构布置的合理性

2.1剪力墙结构布置合理原则

《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010（简称“高规”）第7.1.1条对于剪力墙结构的侧向刚度、竖向刚度及门窗洞口位置进行了简单规定，其要求如下：

（1）布置应简单、规则，宜顺着两个主轴方向或是其他方向进行双向布置。

（2）布置应自下而上且保持连续性，以免刚度发生突变。

（3）门窗洞口应上下对齐且保持列队式，以形成明确墙肢及连梁。

剪力墙布置应遵循的整体原则主要包括均匀、对称、周边及分散，因其具较强抗震能力，再加上现在多使用现浇方式，因此对其进行合理布置时就要遵循以下原则：

第一，剪力强的布置位置主要位于竖向交通通道或是建筑物的凹凸处。

第二，强化周边、弱化中部。剪力墙宜布置于建筑物周边，而尽量减少结构中部的剪力墙布置量，这样可有效地加强结构的抗扭刚度。

第三，多长墙少短墙。但若墙肢长度≥8m，因墙体延性较差，抗震能力较弱，需将长墙利用开结构洞口的方式分割，以提高墙体延性及抗震性能，同时墙体之间均匀性也更好，有利于抗震。

第四，墙肢多采用L型、T形等形状，少采用或尽量不采用复杂形状。

第五，墙肢厚度应沿着墙体高度的增加而逐渐减小，这样就可防止结构层间的刚度发生突变。

第六，多连续、少半框。尽量将连梁及剪力墙相互连接，以形成一个封闭的整体，加强整体结构的受力性能，提高结构的刚度，降低了结构成本。

第七，轴压比要保持协调，相邻剪力墙的轴压比应接近，差距不能过大，且应尽量靠近相关规范的轴压比限值要求，这样不仅可避免墙体因受压过大而发生较大变形，而且还能充分发挥剪力墙的竖向承载能力，提高结构的协调性和整体抗倒塌能力。

2.2剪力墙结构计算指标合理控制

2.2.1刚度比

刚度比主要用于对结构竖向是否规则进行判断，以保证结构刚度与建筑高度变化曲线相适应，判断结构的薄弱层。针对刚度比，《抗规》及《高规》都有明确其参数要求。现业界公认的计算刚度比的方法主要有等效剪切刚度比值法、楼层剪力与层间位移的比值法和考虑层高修正的楼层侧向刚度比值法，利用PKPM软件模拟这些计算方法，且这些方法可广泛应用于多数工程当中。

《高规》第3.5.2条明确规定：对于剪力墙结构相邻楼层的侧向刚度比变化计算可依照以下公式：

《高规》第3.5.3条明确规定：高度等级为A级的高层住宅的抗侧力结构的层间受剪承载力与相邻上层的受剪承载力之间的比值不宜小于0.8，不应小于0.65。[3]

《高规》第5.3.7条明确规定：若上部结构嵌固端为地下室顶板，则地下室负一层的楼层侧向刚度与相邻上层侧向刚度之间的比值不得小于2[4]。

设计时需注意对薄弱层进行适当加强，但不得由于加强致薄弱层位置转移。

2.2.2位移比

位移比是对结构平面是否规则进行判定的计算指标。《高规》第3.4.5条明确规定：建筑竖向构件的最大水平位移及层间位移，高度等级为A级的高层住宅与该楼层平均值之间的比值不得高于1.2，最高不得超过1.5[5]。另《高规》第5.1.5条明确规定：在计算内力与位移时，可假设楼板的平面内刚性为无限大。若楼层楼板为现浇，则在利用SATWE软件进行位移比的计算时应选择“对所有楼层强制采用刚性楼板假定”的参数设置，这样所计算出来的位移比才具有参考价值[6]。若所计算位移比结果满足规范要求时，要取消“所有楼层强制采用刚性楼板假定”的参数设置之后才能继续计算配筋。

针对位移比的调整，可先利用软件查找超限节点，然后通过提高此构件刚度，同时降低最小位移比节点处构件的刚度进行调整。此外，在对建筑设计不会产生任何影响的前提下，也可采取增加局部剪力墙或是加强框架部分侧向刚度的方式来进行调整。

层间位移角也是很重要的计算指标，体现了结构在主轴方向的侧向刚度、动力特性，规范限制层间位移角是为了保证结构基本处于弹性受力状态。设计时不仅要看层间位移角是否满足规范要求，还要注意两个主轴方向是否接近，一般情况下不宜相差20%以上。

2.2.3周期比

对周期比进行控制的主要目的是为避免结构在遭遇大震时产生过大扭转。利用周期、振型和平动扭转系数等参数可明确分析结构各振型的平动及扭转成分。《高规》第3.4.5条明确规定：高度等级为A级的高层住宅的周期比不得超过0.9。若周期比超出规定范围，则表明结构的周圈扭转刚度小，可采取对结构全局布置进行调整，提高结构周围刚度同时降低结构内部刚度的方式来加强结构的整体抗扭刚度。通常7度区剪力墙结构的基本自振周期可依照以下公式进行计算，6度及8度区则可在此计算值上下波动。

其中表示周期的影响系数，其取值范围为0.05-0.10；N表示建筑的总楼层数。

针对具体结构，可依照以下公式进行计算：

其中表示剪力墙结构的周期估算；H表示建筑的总高度；B表示建筑的总宽度。

因SATWE程序并未直接给出周期比，故用户还需根据计算文本所显示的相关数据进行人工计算，其计算方法如下：

第一，自大到小将扭转系数大于0.5相对应的所有周期值进行依次排序；

第二，判定第一平动及第一扭转周期：选择数列当中的第一个平动周期，并查看其所对应的空间振型，若不是全楼振动则说明此数值不是第一平动周期，接着验证第二个数据，依此类推，直至找到周期值最大且可引起整体振动的数据，此数据则为第一平动周期。第一扭转周期也可用此方法进行判定。

第三，计算第一扭转周期与第一平动周期的比值，此比值即为所求周期比。

2.2.4刚重比

刚重比是指结构侧向刚度与重力荷载设计值之间的比值。刚重比是重力二阶效应的重要影响参数。刚重比与结构侧移刚度成正比，结构侧移刚度受结构周期的直接影响，故结构周期对刚重比产生间接作用。因此，若X轴或是Y轴的刚重比较小，则可通过加强结构刚度的方式进行调整；反之则要降低结构的刚度。《高规》第5.4.1、5.4.2、5.4.4条及相关条文对于刚重比都有明确规定。若结构的刚重比过大，则表明结构的经济性较低；若结构的刚重比过小，因结构刚度与重力荷载相差较大，则表明结构存在明显重力二阶效应，可能会引发倒塌事故，必须深入考虑。

针对刚重比的调整，可采取如下方法：

第一，依据相关规范规定，剪力墙结构的刚重比最低不得小于2.7，若未超过2.7，则在利用SATWE进行刚重比的计算时应在“设计信息”当中勾选“考虑效应”，这样软件就会自动考虑重力二阶效应所带来的影响。

第二，若剪力墙结构的刚重比低于1.4，则可通过增加结构竖向构件刚度的方式来解决。

2.2.5剪重比

剪重比是指地震作用与重力荷载之间的比值，其实质是指地震剪力的最小值，其要求结构特别是周期较长的结构具一定抗震能力。剪重比是判定结构地震作用程度的标准。有效质量系数是判定建筑质量的重要参数，有效质量系数高于90%的前提下才能保证地震作用程度达到相关规范标准，之后才能判定结构的剪重比是否合理。若有效质量系数低于90%，可采取修改结构平面布置或是增加振型数量的方式来进行调整。对于结构的剪重比，《抗震规范》第5.2.5条及《高规》第4.3.12条都有明确规定，其计算公式如下：

其中表示第层所对应的水平地震作用下的剪力；表示水平地震的剪力系数，其最低值如表1；针对竖向不规则结构薄弱层还将在此基础上与增大系数1.15相乘；表示第层的重力荷载代表值；表示结构的总层数。

限制剪重比主要是为了避免因地震而引发的地面加速及偏移所带来的结构被破坏的严重后果。相关规范对于各个楼层的水平地震作用最小值进行了规定。若结构剪重比过大，则表明结构的经济性较差，若结构剪重比低于规范规定，可采取以下措施进行调整：

第一，若剪重比与相关规范规定限值相差较小，可通过勾选SATWE软件的“调整信息”当中的“按抗震规范5.2.5调整各楼层地震内力”选项或是通过在“全楼地震作用放大系数”输入放大系数，以将地震作用放大，从而使结构剪重比与相关规范要求相符。

第二，若剪重比与相关规范规定限值相差较大，则可采取增加竖向构件截面，提高竖向构件刚度的方式进行调整，如墙、柱等。

3.结束语

通过上述分析可发现，在高层住宅的设计过程当中，合理布置剪力墙结构一方面可尽量减小结构的地震作用，提高结构的抗震能力，极大地满足建筑的受力要求，进而保障结构的安全性；另一方面可尽量降低造价成本，提高建筑企业的经济效益，体现了结构布置合理性的最终目的和意义，也使企业能够获取良好的社会效益，促进了建筑行业的稳定、健康发展。

参考文献：

[1]胥震.浅谈高层住宅剪力墙结构设计[J].四川建材.2013（01），pp.29-30

[2]陈彬，边风兰.小高层住宅剪力墙结构设计[J].科技创新导报.2011（32），pp.39

[3]周荣荣.高层剪力墙结构剪力墙合理布置研究[D].石家庄铁道大学.2013

[4]胡孔鹏.高层剪力墙结构中剪力墙布置和合理数量的研究[D].合肥工业大学.2012

[5]陈耀.高层建筑剪力墙结构优化设计分析探讨[J].福建建材.2011（02），pp.36-39

[6]赵蒙.高层框架—剪力墙结构的剪力墙合理布置研究[D].成都理工大学.2014