淺析剪力墻結構設計幾個問題

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摘 要： 剪力墻廣泛應用于多層和高層鋼筋混凝土房屋，本文通過對剪力墻結構結構設計中幾個問題的討論， 加深對規(guī)范設計參數應用的理解， 提出適用的構造措施， 供技術人員在處理具體問題時參考。 

關鍵詞： 延性； 邊緣構造； 超長結構  前言  剪力墻結構是用鋼筋混凝土墻板來代替框架結構中的梁柱，能承擔各類荷載引起的內力， 并能有效控制結構的水平力， 這種用鋼筋混凝土墻板來承受豎向和水平力的結構稱為剪力墻結構，目前，這種結構在高層房屋建設中被大量運用。本文從剪力墻設計中的基本概念入手， 針對其特點的多樣性和復雜性， 分析了邊緣構造、 結構的厚度和配筋、 結構的超長等幾個問題， 對規(guī)范具體條文中參數的合理運用提出建議。  一.剪力墻設計中的基本概念  1．剪力墻高和寬尺寸較大但厚度較小， 幾何特征像板， 受力形態(tài)接近于柱， 而與柱的區(qū)別主要是其長度與厚度的比值， 當比值小于或等于4時可按柱設計，當墻肢長與肢寬之比略大于 4 或略小于4時可視為為異形柱， 按雙向受壓構件設計。  2．剪力墻結構中， 墻是一平面構件， 它承受沿其平面作用的水平剪力和彎矩外， 還承擔豎向壓力； 在軸力， 彎矩， 剪力的復合狀態(tài)下工作， 其受水平力作用下似一底部嵌固于基礎上的懸臂深梁。 在地震作用或風載下剪力墻除需滿足剛度強度要求外，還必須滿足非彈性變形反復循環(huán)下的延性、 能量耗散和控制結構裂而不倒的要求： 墻肢必須能防止墻體發(fā)生脆性剪切破壞，因此注意盡量將剪力墻設計成延性彎曲型。  3．實際工程中剪力墻分為整體墻和聯(lián)肢墻： 整體墻如一般房屋端的山墻、 魚骨式結構片墻及小開洞墻。整體墻受力如同豎向懸臂，當剪力墻墻肢較長時， 在力作用下法向應力呈線性分布， 破壞形態(tài)似偏心受壓柱， 配筋應盡量將豎向鋼筋布置在墻肢兩端； 為防止剪切破壞，提高延性應將底部截面的組合設計內力適當提高或加大配筋率；為避免斜壓破壞墻肢不能過小也不宜過長， 以防止截面應力相差過大。聯(lián)肢墻是由連梁連接起來的剪力墻，但因一般連梁的剛度比墻肢剛度小得多， 墻肢單獨作用顯著， 連梁中部出現(xiàn)反彎點要注意墻肢軸壓比限值。設計剪力墻時， 應根據各型墻體的特點， 不同的受力特征， 墻體內力分布狀態(tài)并結合其破壞形態(tài)， 合理地考慮設計配筋和構造措施。  4．墻的設計計算是考慮水平和豎向作用下進行結構整體分析，求得內力后按偏壓或偏拉進行正截面承載力和斜截面受剪承載力驗算。 當受較大集中荷載作用時再增加對局部受壓承載力驗算。 在剪力墻承載力計算中， 對帶翼墻的計算寬度按以下情況取其小值： 即①剪力墻之間的間距；②門窗洞口之間的翼緣寬度；③墻肢總高度的1/10； ④剪力墻厚度加兩側翼墻厚度各6倍的長度。  5．為了保證墻體的穩(wěn)定性及便于施工， 使墻有較好的承載力和地震作用下耗散能力，規(guī)范要求一、二級抗震墻時墻的厚度應≥160mm， 底部加強區(qū)宜≥200mm， 三、 四級抗震等級時應≥140mm， 豎向鋼筋應盡量配置于約束邊緣。  二.剪力墻的邊緣構造  1． 結構試驗表明矩形截面剪力墻的延性比工字形或槽形截面剪力墻差；計算分析表明增加墻肢截面兩端的翼緣能顯著提高墻的延性；因此在矩形墻兩端設約束邊緣構件不但能較顯著地提高墻體的延性， 還能防止剪力墻發(fā)生水平剪切滑動提高抗剪能力。從89規(guī)范開始在剪力墻中提出了暗柱、 端柱、 翼墻 （柱）、 轉角墻 （柱）， 也就是目前規(guī)范中的約束邊緣構件或構造邊緣構件的抗震措施。  2．從 2002年開始實施的建筑結構規(guī)范， 根據結構類型及受力狀況， 對剪力墻兩端及洞口兩側的加強邊緣， 按墻肢在重力荷載代表值作用下墻肢軸壓比的界線及加強部位要求分為約束邊緣構件和構造邊緣構件兩類?！督ㄖ拐鹪O計規(guī)范》（以下簡稱抗規(guī)） 規(guī)定抗震墻結構、 部分框支抗震墻中落地剪力墻當一、二級抗震時底部加強部位及相鄰的上一層均應按要求設置約束邊緣構件；但對于一般抗震墻結構當滿足墻肢軸壓比限值界線值時可按規(guī)定設置構造邊緣構件?！犊挂?guī)》 未明確框架-剪力墻結構中的剪力墻需設置約束邊緣構件時抗震墻的抗震等級和軸壓比界限值； 但根據 《混凝土結構設計規(guī)范》 (以下簡稱砼規(guī))11.7.14 條框架 - 剪力墻不受一、 二抗震等級限制， 凡底部加強區(qū)及其上一層當不滿足軸壓比限界時則均應設約束邊緣構件。綜合分析 《抗規(guī)》 和 《砼規(guī)》 設計約束邊緣構件時， 框剪結構、 框支結構、 框筒結構的要求應嚴于一般剪力墻結構。  三．剪力墻結構的厚度和配筋問題  1．根據《抗規(guī)》 6.1.2條規(guī)定， 8 度地震區(qū)剪力墻結構的抗震等級至少應為二級； 按 6.4.1 條要求剪力墻底部加強部位墻厚一、 二級抗震等級時不宜小于 200mm， 且不小于層高的 1/16， 其他部位不小于 160mm， 當墻端頭無翼墻或暗柱時不應小于層高的 1/12。以上規(guī)定目的是為防止因墻體平面外剛度過小， 穩(wěn)定性差， 容易在偏心荷載作用下壓屈失穩(wěn)，但這些規(guī)定對于八度地震區(qū)的多層及低高層剪力墻結構顯得不夠合理。例如5~15層的剪力墻結構， 一般墻肢在重力荷載代表值作用下軸壓比都小于0.2， 電算結果墻體往往只需要構造配筋， 但只因底部功能要求3.9m層高， 墻厚就得 240mm,若業(yè)主要求室內視野開闊， 不設外縱墻， 橫墻朝外端頭不允許帶翼墻或端柱時，當層高3>5~4.2m時， 則墻厚需要320~350mm,顯然不合理。 所以不應要求死扣規(guī)范， 而通過采用概念設計分析， 控制墻肢軸壓比， 進行墻體截面條件、 強度和穩(wěn)定性驗算并在構造上適當加強暗柱或配筋， 保證其整體性連接等措施， 是可以使墻厚減小的。  2． 墻體的配筋率， 目前在 《砼規(guī)》 11.7.11 條強制規(guī)定在一、 二、三級抗震等級的剪力墻中，豎向和水平分布筋的最小配筋率均不應小于0.25%， 和國外的配筋率 0.1~0.25%的高者基本接軌， 這在高層或者較長的剪力墻結構中應該是合理的， 但對于低矮、 短小的剪力墻值得探討。  墻的水平分布筋是為橫向抗剪以防止墻體在斜裂縫出現(xiàn)后發(fā)生脆性剪切破壞， 同時起到抵抗溫度應力防止砼出現(xiàn)裂縫， 設計中當建筑物較高較長或框剪結構時配筋宜適當增加，特別在連梁部位或溫度、 剛度變化等敏感部位宜適當增加。 但對于矮、 短的房屋， 其水平筋的配筋率是否適當減小值得探討。  墻的豎向鋼筋主要起抗彎作用，目前在一些多層低高層剪力墻中電算結果多為構造配筋；但配筋時所取的配筋率有人往往扣除了約束邊緣構件或構造邊緣構件中的鋼筋，豎向最小配筋率應該包括邊緣構件中的鋼筋，墻肢的豎向配筋原則也應該盡量將鋼筋布置在≦ 墻端部邊緣區(qū)并保證鋼筋間距 300mm，也應該注意防止豎筋過多使墻的抗彎強度大于抗剪強度， 對抗震不利。  四．剪力墻結構的超長問題  《砼規(guī)》 9.1.1條規(guī)定現(xiàn)澆混凝土剪力墻結構的溫度伸縮縫最大間距當在室內或土中時為 45m， 露天時為30m;而現(xiàn)澆框架剪力墻或框架核心筒結構的伸縮縫間距可取 45~55m.規(guī)范的這一規(guī)定顯然與現(xiàn)今建筑的體量越來越大但功能又要求不設縫發(fā)生矛盾，過長時應該盡量設置溫度伸縮縫， 宜較嚴格遵守規(guī)范規(guī)定的限值， 理由如下：  1.剪力墻結構剛度大， 受溫差影響大， 混凝土的收縮、 徐變產生的變形大， 墻體對樓面、 屋面產生的約束也大； 當結構發(fā)生收縮變形時比其他結構易出現(xiàn)裂縫。一些未超長的剪力墻結構產生墻體或樓面裂縫。  2.混凝土結構受溫度或收縮徐變的影響與眾多因素有關； 而體型龐大的剪力墻房屋往往形狀復雜， 混凝土收縮大， 約束應力積聚也大， 施工工藝及管理也難控制， 環(huán)境影響使用變化難于判斷， 因此更難于解決混凝土收縮變形時，在受約束條件下引起拉應力而保證不出現(xiàn)裂縫。  3.普遍使用商品混凝土泵送施工， 為了泵送， 增大水泥用量， 減少了中粗骨料含量和骨料粒徑，加上泵送混凝土配合比和施工送料時的不良因素影響等都加大了結構收縮量， 增加產生裂縫的因素。  綜上所述， 今后在處理超長結構時， 特別是處理超長的剪力墻結構時要特別慎重；當發(fā)生實在由于建筑使用功能要求不允許超長建筑設永久縫時， 建議采用對結構施加預應力的方法給予處理。  結語  剪力墻廣泛應用于多層和高層鋼筋混凝土房屋， 除框架結構外， 其余如抗震墻結構、 框架一抗震墻結構、 板柱一抗震墻結構、 筒體結構等結構體系均與剪力墻有關， 所以在設計工作中應對剪力墻結構的有關問題深入了解， 以合理的進行鋼筋混凝土剪力墻結構設計。剪力墻結構的設計綜合性很強， 涉及到的內容繁多而復雜。 設計時應注重把握結構模型進行概念分析， 并采取適用的構造措施， 力爭做到技術與經濟同步， 安全與適用協(xié)調。