剪力墙结构设计

【关键词】建筑结构；剪力墙；结构设计 

　　工程概况 

　　不久前，我完成了郑州市豫军长基经济适用房小区的3#楼的结构设计，3#楼是剪力墙结构，层高2.9m，34层，室内外高差0.8m.对于这种高度100米左右的剪力墙结构该怎样设计，才能做到不仅符合规范的各项要求要求，而且经济合理呢？ 

　　随着社会经济的飞速发展，我建筑行业的不断进步，建筑结构设计的重要性不言而喻，国内、外历次大地震震害表明，平面不规则、质量与刚度偏心和抗扭刚度太弱的结构，在地震中遭受到严重的破坏。国内一些震动台模型试验结果也表明，过大的扭转效应会导致结构的严重破坏。对结构的扭转效应主要从两个方面加以限制： 

　　1、限制结构平面布置的不规则性 

　　避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。本工程结构建模过程是：首先，调整各个墙柱（包括结构周边墙柱）的轴压比，使得各个墙柱的轴压比相近。在墙厚度相等的情况下，所受竖向荷载大的墙柱的轴力大，采用较长的墙柱，长度较大的墙柱相应的抗侧刚度也大，按照这种方法布置的结构模型整体的质心和刚度中心的距离比较小。其次，通过增加结构边缘的墙柱的长度和梁高，增大结构边缘的抗侧刚度，使得结构模型整体的质心和刚度中心重合。如果结构各个墙柱的轴压比不均匀，结构整体的质心和刚度中心的距离较大，此时通过增大结构边缘的抗侧刚度来调整结构的质心和刚心重合就比较困难。在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍。本工程各墙柱的轴压比计算结果见图1。 

　　由图1可见本工程中部各个墙柱的轴压比相近，而周边墙柱的轴压比略小。轴压比是影响剪力墙在地震作用下塑性变形能力的重要因素。国内外研究单位的试验表明，相同条件的剪力墙，轴压比低的，其延性大，轴压比高的，其延性小；通过设置约束边缘构件，可以提高高轴压比剪力墙的塑性变形能力，但轴压比大于一定值后，即使设置约束边缘构件，在强震作用下，剪力墙仍可能因混凝土压溃而丧失承受重力荷载的能力。墙柱是剪力墙结构的重要结构构件，应增强其变形性能。如果其中一个墙柱的轴压比较大，在强震作用下它可能比其他墙柱破坏的早，对结构整体造成不利影响。综上所述，剪力墙结构中各个墙柱的轴压比均匀，不仅有利于减小结构刚度中心和质心间的距离，从而减小结构在水平风荷载和水平地震作用下结构整体的扭转效应，而且能防止个别墙柱先于其他构件破坏，增强结构整体在强震作用下的安全性。 

　　2、限制结构的抗扭刚度不能太弱 

　　关键是限制结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自震周期T1之比。当两者接近时，由于振动耦联的影响，结构的扭转效应明显增大。若周期比Tt/T1小于0.5，则相对扭转振动效应θr/μ一般较小（θ，r分别为扭转角和结构的回转半径，θr表示由于扭转产生的离质心距离为回转半径处的位移，μ为质心位移），即使结构的刚度偏心很大，偏心距e达到0.7r，其相对扭转变形θr/μ值亦仅为0.2。而当周期比Tt/T1大于0.85以后，相对扭转效应θr/μ值急剧增加。即使刚度偏心很小，偏心距e仅为0.1r，当周期比Tt/T1等于0.85时，相对扭转变形θr/μ值可达0.25；当周期比Tt/T1接近1时，相对扭转变形θr/μ值可达0.5。本工程以扭转为主的第一自振周期Tt=1.6167s，以平动为主的第一自振周期T1=2.5477s， Tt/T1=0.6346。由此可见本工程抗扭刚度比较强。 

　　当高层建筑结构偏心率较小时，结构扭转位移比一般能满足规范规定的限值，但其周期比有的会超过限值，必须使位移比和周期比都满足限值，使结构具有必要的抗扭刚度，保证结构的扭转效应较小。 

　　由图1还可以看出，本工程剪力墙柱的特点：每个墙柱都是长墙，这一点是由本工程比较高大的特点决定的，墙柱的长度大，其侧向刚度就大，同时抗剪强度大。 

　　《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010采用层间位移角△μ/h作为刚度控制指标，不扣除整体弯曲转角产生的侧移，即直接采用内力位移计算的位移输出值。层间位移角△μ/h的限值指最大层间位移与层高之比，第i层的△μ/h指第i层和第i-1层在楼层平面各处位移差△μi=μi-μi-1中的最大值。由于高层建筑结构在水平力作用下几乎都会产生扭转，所以△μ的最大值一般在结构单元的尽端处。由此可见增大结构的抗扭刚度，减小结构的扭转效应才能有效的控制结构的层间位移角。综上所述，本工程在设计中使用长墙，增大周边墙柱的长度和梁高，比较有效的控制了结构的最大层间位移。 

　　以下是本工程X、Y方向地震力作用下的楼层最大位移。 

　　X方向最大值层间位移角： 1/1005.（第19层） 

　　Y方向最大值层间位移角： 1/1009. （第28层） 

　　从以上的计算结果可以看到，各层的最大层间位移角均满足规范的要求。最大层间位移角不像框架结构那样出现在下部楼层，而是出现在上部约1/3建筑高度范围内，这体现出剪力墙结构整体弯曲变形的特性。 

　　剪力墙结构在遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地震影响或遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，应该首先是连梁破坏，而不能是承受竖向荷载的墙体，否则结构就会垮塌，不能达到规范规定的抗震设防目标。连梁在剪力墙结构中是抗震设防的第一道防线，剪力墙结构中连梁在剪力墙结构建模计算过程中会出现剪力墙连梁截面验算不通过的情况，此时可以采取以下办法调整：1、减小连梁高度。2、设置双连梁。3、采用斜向配筋。 

　　3、结束语 

　　结构设计经济合理和结构安全之间并不矛盾，只有合理的结构平面设计，剪力墙布置平面均匀，规则，减少偏心。结构竖向材料强度均匀变化，不突变。这样的结构设计就不会浪费，就是经济合理的结构设计。 

　　参考文献： 

　　[1]徐培福，黄吉锋，韦承基.高层建筑结构在地震作用下的扭转振动效应[J].建筑科学，2000，16（1）：1_6. 

　　[2]陈曦.混凝土结构周期比的分析研究[J].长安大学学报，已录用. 

　　[3]吕西林，周德源，李思明，等.建筑结构抗震设计理论与实例[M].2版.上海：同济大学出版社，2002.