高层剪力墙结构设计中的常见问题及处理措施
刘天水
【摘 要】随着人类社会的进步，为了满足现代居民对建筑强度的需求，如今越来越多的高层住宅的结构形式采用剪力墙结构，这也对结构设计人员解决高层剪力墙设计中种种问题的能力提出了新的挑战。论文分析了高层剪力墙结构设计时常见的几点问题，并给出了常用的处理措施。
【Abstract】With the progress of human society， in order to meet the needs of modern residents on the strength of construction， more and more high-rise residential buildings adopt shear wall structure， which also challenges the ability of structural designers to solve various problems in the design of high-rise shear walls. This paper analyzes some common problems in the design of high - rise shear wall structure， and gives some common treatment measures.
【关键词】剪力墙；连梁超筋；处理措施
【Keywords】 shear wall； over-reinforced coupling beam； treatment measures
【中图分类号】TU973.16 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）08-0194-03
1 引言
高層建筑的结构设计，近年来以剪力墙的形式居多，而新修改的规范也提出了更加严格的设计标准，解决高层剪力墙结构设计时遇到的问题也成了设计者的基本能力要求之一。本文仅对剪力墙结构设计时出现的普遍问题提出一些解决办法。
2 剪力墙长度和厚度的选取
2.1 剪力墙长度的选取
普通的剪力墙长度应在8m以下[1]。当设计长度较长的墙体时，可以在墙上均匀的开设洞口，使长墙变为短小匀称的联肢墙，这样可以剪力墙避免弯曲破坏，保证墙的延性，开设洞口的墙段一般以2为最小高宽比；剪力墙洞口处的连梁推荐使用跨高比不小于6的弱连梁，这种连梁的梁端约束弯矩比较小，可以将剪力墙当做独立墙段来计算。
2.2 剪力墙厚度的选取
设计剪力墙结构时，一般会限制墙肢最小厚度，是为了防止剪力墙失稳破坏和平面外刚度不足等情况发生。剪力墙厚度的选取受抗震等级、剪力墙部位、有无端柱的条件影响，具体厚度参考表1。
一般住宅建筑，受建筑墙厚的限制，剪力墙厚度一般会不大于250mm。对于普通住宅，建筑层高一般不大于3m，填充墙厚度一般为200mm，因此上层剪力墙厚度取200mm能满足规范规定的一、二级抗震时墙厚大于层高1/20、底部加强区墙厚大于层高的1/16的要求。需注意一字型独立剪力墙底部加强区墙厚不宜小于220mm，且不宜采用一字型短肢剪力墙，对于短肢剪力墙，参考表1选取剪力墙厚度时需将结构的抗震等级提高一级选用。对于底层层高较高或无地下室的剪力墙结构，需注意尽量不要采用一字型墙体，避免墙体过厚影响建筑使用功能。由于一字型墙体缺少平面外约束，抗震性能较差，规范对一字型墙的轴压比、墙体厚度均作出了较严格的要求，因此建议采用有效翼墙的剪力墙，如L形、T形、Z字形及十字形剪力墙。
3 对结构扭转影响的处理
《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]与《建筑抗震设计规范》[3]均对剪力墙结构的扭转位移比-即楼层的最大弹性水平位移（或层间位移）与该楼层两端的弹性水平位移的比值，提出了限制要求，当结构的扭转位移比超限时，一般有两种调整方法。一是找出该楼层梁端节点位移最大的点，并通过增加竖向构件截面、增大梁高等方式局部加强该点的抗侧刚度，或减小对称部位的抗侧刚度，通过局部调整使结构扭转位移比满足规范要求；二是当楼层的层间位移角相对于规范限制值（剪力墙结构为1/1000）有较大富余量时，可采取弱化内部刚度加强外围刚度的办法，通过尽量加大周边剪力墙，建筑条件允许的情况下加大外圈梁的高度和削弱内部剪力墙的办法，从整体上增强结构的抗扭转能力。
4 对角窗的处理
高层建筑的角部在地震中是最薄弱的部位，也是建筑经常采用的一种建筑形式，当高层建筑的角部设置角窗时可采取以下措施保证结构的抗震性能。一是限制角窗部位剪力墙的厚度，在底部加强部位不小于层高的1/12，其余部位不小于层高的1/15，且不小180mm，墙端暗柱纵向钢筋要适当加强；二是当角部为挑阳台沿且阳台外缘设幕墙不允许结构如同角窗那样设置梁时，可在两端剪力墙处设置不小于1m的暗梁，因为暗梁受荷面积较大，因此楼板厚度需做厚一些。
5 连梁超限问题的处理
连梁超限问题在剪力墙中是很常见的，尤其是在高烈度区，经常会遇到连梁超限的情况。地震工况下除了竖向荷载产生的内力外，连梁内力产生内力的原因一般有两种，一是连梁两端竖向构件变形不一致使连梁产生的相对位移；二是连梁两端竖向构件弯曲变形使连梁产生转角。而连梁超限的原因一般有两种，第一种是受弯超限，具体表现为连梁纵向受拉钢筋配筋率超过2.5%，或梁端混凝土受压区高度和有效高度之比大于规范限制，连梁受弯超限一般也可以通过调整连梁截面尺寸或计入受压区钢筋贡献来解决，这类超限一般是比较好解决的；第二种是连梁不满足减压比控制要求，此时连梁的破坏形式为斜压破坏，脆性特征明显，需妥善处理，根据规范建议结合实际工程经验，一般有效的解决方法有以下几种：
5.1 连梁刚度折减
这是规范推荐也是工程中常用的方法，通过折减连梁的刚度，使连梁在地震工况下先于墙肢屈服，在连梁能够承受恒、活荷载及风荷载作用的前提下，允许连梁适当开裂让内力转移到墙肢上，从而控制其实际弯矩及剪力值。为了保证连梁正常使用状态下的工作性能，控制裂缝不要开展过大，连梁折减系数不要取得太小，设计时要根据建筑的抗震设防烈度的高低确定连梁的刚度折减系数，连梁折减系数不宜小于0.5。
5.2 增大连梁跨高比
通过减小连梁高度或增大连梁跨度可以增大连梁的跨高比，从而减小连梁的线刚度，使之承担的地震剪力减小，使连梁的受剪承载力满足规范要求。
5.3 增大连梁宽度
增大连梁宽度可以使连梁的抗剪承载力线性增加，同时连梁吸收的地震力随连梁宽的增加的不多，从而使平均剪应力降低，满足规范要求。但这种方法往往需要在连梁两端加设端柱或墙垛，因此需要与建筑专业沟通后方可采用。
5.4 提高连梁混凝土等级
提高连梁混凝土等级可以在不增大连梁地震剪力的情况下提高连梁的抗剪承载力，但是不是很经济，这种方法通常在本层多数连梁均超限且超过规范要求数值不大的情况采用。
5.5 设双缝连梁
通过在连梁中间设缝可以在不减小连梁抗剪总截面的情况下将一根连梁拆分为两个跨高比较大的连梁，使连梁从剪切破坏转变为弯曲破坏，设缝连梁对降低单连梁的剪力和弯矩有明显作用。
5.6 根据连梁减压比条件设计连梁
当连梁弯曲裂缝对连梁的正常使用没有很大影响且超限连梁数量不多时，也可按连梁的减压比条件控制连梁的配筋[4]。首先按照连梁跨高比大于2.5和跨高比小于2.5时，连梁的减压比和抗剪承载力要求，推算出极限减压比条件下满足最大剪力设计值的连梁箍筋面积。由于连梁剪力与弯矩呈导数关系，当地震工况下，梁端剪力达到最大剪力设计值时，此时的梁端弯矩也是确定的，因此可以根据最大剪力设计值推算出连梁达到抗剪极限时的连梁弯矩。根据此弯矩得出的连梁纵筋配筋面积为连梁纵筋配筋面积的上限。《混凝土结构设计规范》11.3.6最小配筋率计算得到的配筋面积为连梁配筋面积的下限。如此，可以保证连梁的纵筋先于连梁的箍筋屈服，连梁受弯破坏，破坏形式为延性破坏，满足强剪弱弯的设计要求。当地震来临时，连梁吸收地震力并产生塑性铰，多余的地震力由墙肢承担，此时，连梁仍对墙肢有部分约束作用。需注意，用这种方法调整连梁配筋，需对与其相邻的上下层连梁及周边墙肢的地震力进行放大，适当加强上下层连梁及周边墙肢的配筋。
6 约束边缘构件箍筋的设置
剪力墙的约束边缘构件分为阴影区和非阴影区，对于阴影区部分的纵筋、箍筋构造值规范做出了较明确的要求，需注意约束边缘构件按墙端暗柱计算得出的纵筋计算配筋面积大于构造配筋面积时，纵筋需按计算配筋面积配置，当剪力墙的某段墙肢全部为边缘构件时，还需注意此处边缘构件箍筋需按墙体水平筋计算值和边缘构件计算值取包络设计。对于非阴影区，规范要求非阴影区的体积配箍率不小于阴影区计算值的一半，当阴影与非阴影区纵筋间距相等时，可让非阴影的拉筋水平间距与阴影区相同的情况下，拉筋及箍筋的垂直间距采用阴影区的一倍；阴影区纵筋间距较小时，非阴影区拉筋及箍筋垂直间距与阴影区相同。
7 结论
本文分析了高层剪力墙结构设计时，墙肢的长度及厚度的初步选取范围，墙肢长度不宜大于8m且墙段高宽比应大于2，抗震设计时厚度可取180～200mm左右；对于扭转周期比超限的剪力墙结构，可采取调整洞口尺寸、墙肢厚度等方法进行局部刚度调整，也可以从整体上增加外圈结构刚度减小内部结构刚度，调整结构的刚度分布；对于有角窗的剪力墙结构，可在保证角窗处墙肢厚度的情况下，通过增大墙端暗柱配筋、增加暗梁、加厚楼板厚度等方式确保结构的安全性；对于抗剪超限的连梁，可以采用连梁刚度折减、增大连梁跨高比、增大连梁宽度、提高连梁混凝土等级、连梁中间设缝、根据减压比条件反算连梁配筋六种方式进行调整；总结了约束边缘构件配筋时需要注意的一些问题。
随着建筑科技时代的到来，高层建筑的剪力墙结构设计种类日益增多，在针对不同的工程进行具体设计时，应按照项目特征，通过计算处理剪力墙的受力状态及破坏形态，综合考虑以便保证结构的安全性。充分了解并系统熟悉建筑规范，具备完善的结构思维，才会使设计结果在满足安全和经济适用的基础上，达到更高的水准。
【参考文献】
【1】GB50010-2010（2015版） 混凝土结构设计规范[S].
【2】JGJ 3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].
【3】GB50011-2010（2016版） 建筑抗震设计规范[S].
【4】中国计划出版社编.全国民用建筑工程设计技术措施-结构（混凝土結构）[M].北京：中国计划出社，2012.
【摘 要】随着人类社会的进步，为了满足现代居民对建筑强度的需求，如今越来越多的高层住宅的结构形式采用剪力墙结构，这也对结构设计人员解决高层剪力墙设计中种种问题的能力提出了新的挑战。论文分析了高层剪力墙结构设计时常见的几点问题，并给出了常用的处理措施。
【Abstract】With the progress of human society， in order to meet the needs of modern residents on the strength of construction， more and more high-rise residential buildings adopt shear wall structure， which also challenges the ability of structural designers to solve various problems in the design of high-rise shear walls. This paper analyzes some common problems in the design of high - rise shear wall structure， and gives some common treatment measures.
【关键词】剪力墙；连梁超筋；处理措施
【Keywords】 shear wall； over-reinforced coupling beam； treatment measures
【中图分类号】TU973.16 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）08-0194-03
1 引言
高層建筑的结构设计，近年来以剪力墙的形式居多，而新修改的规范也提出了更加严格的设计标准，解决高层剪力墙结构设计时遇到的问题也成了设计者的基本能力要求之一。本文仅对剪力墙结构设计时出现的普遍问题提出一些解决办法。
2 剪力墙长度和厚度的选取
2.1 剪力墙长度的选取
普通的剪力墙长度应在8m以下[1]。当设计长度较长的墙体时，可以在墙上均匀的开设洞口，使长墙变为短小匀称的联肢墙，这样可以剪力墙避免弯曲破坏，保证墙的延性，开设洞口的墙段一般以2为最小高宽比；剪力墙洞口处的连梁推荐使用跨高比不小于6的弱连梁，这种连梁的梁端约束弯矩比较小，可以将剪力墙当做独立墙段来计算。
2.2 剪力墙厚度的选取
设计剪力墙结构时，一般会限制墙肢最小厚度，是为了防止剪力墙失稳破坏和平面外刚度不足等情况发生。剪力墙厚度的选取受抗震等级、剪力墙部位、有无端柱的条件影响，具体厚度参考表1。
一般住宅建筑，受建筑墙厚的限制，剪力墙厚度一般会不大于250mm。对于普通住宅，建筑层高一般不大于3m，填充墙厚度一般为200mm，因此上层剪力墙厚度取200mm能满足规范规定的一、二级抗震时墙厚大于层高1/20、底部加强区墙厚大于层高的1/16的要求。需注意一字型独立剪力墙底部加强区墙厚不宜小于220mm，且不宜采用一字型短肢剪力墙，对于短肢剪力墙，参考表1选取剪力墙厚度时需将结构的抗震等级提高一级选用。对于底层层高较高或无地下室的剪力墙结构，需注意尽量不要采用一字型墙体，避免墙体过厚影响建筑使用功能。由于一字型墙体缺少平面外约束，抗震性能较差，规范对一字型墙的轴压比、墙体厚度均作出了较严格的要求，因此建议采用有效翼墙的剪力墙，如L形、T形、Z字形及十字形剪力墙。
3 对结构扭转影响的处理
《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]与《建筑抗震设计规范》[3]均对剪力墙结构的扭转位移比-即楼层的最大弹性水平位移（或层间位移）与该楼层两端的弹性水平位移的比值，提出了限制要求，当结构的扭转位移比超限时，一般有两种调整方法。一是找出该楼层梁端节点位移最大的点，并通过增加竖向构件截面、增大梁高等方式局部加强该点的抗侧刚度，或减小对称部位的抗侧刚度，通过局部调整使结构扭转位移比满足规范要求；二是当楼层的层间位移角相对于规范限制值（剪力墙结构为1/1000）有较大富余量时，可采取弱化内部刚度加强外围刚度的办法，通过尽量加大周边剪力墙，建筑条件允许的情况下加大外圈梁的高度和削弱内部剪力墙的办法，从整体上增强结构的抗扭转能力。
4 对角窗的处理
高层建筑的角部在地震中是最薄弱的部位，也是建筑经常采用的一种建筑形式，当高层建筑的角部设置角窗时可采取以下措施保证结构的抗震性能。一是限制角窗部位剪力墙的厚度，在底部加强部位不小于层高的1/12，其余部位不小于层高的1/15，且不小180mm，墙端暗柱纵向钢筋要适当加强；二是当角部为挑阳台沿且阳台外缘设幕墙不允许结构如同角窗那样设置梁时，可在两端剪力墙处设置不小于1m的暗梁，因为暗梁受荷面积较大，因此楼板厚度需做厚一些。
5 连梁超限问题的处理
连梁超限问题在剪力墙中是很常见的，尤其是在高烈度区，经常会遇到连梁超限的情况。地震工况下除了竖向荷载产生的内力外，连梁内力产生内力的原因一般有两种，一是连梁两端竖向构件变形不一致使连梁产生的相对位移；二是连梁两端竖向构件弯曲变形使连梁产生转角。而连梁超限的原因一般有两种，第一种是受弯超限，具体表现为连梁纵向受拉钢筋配筋率超过2.5%，或梁端混凝土受压区高度和有效高度之比大于规范限制，连梁受弯超限一般也可以通过调整连梁截面尺寸或计入受压区钢筋贡献来解决，这类超限一般是比较好解决的；第二种是连梁不满足减压比控制要求，此时连梁的破坏形式为斜压破坏，脆性特征明显，需妥善处理，根据规范建议结合实际工程经验，一般有效的解决方法有以下几种：
5.1 连梁刚度折减
这是规范推荐也是工程中常用的方法，通过折减连梁的刚度，使连梁在地震工况下先于墙肢屈服，在连梁能够承受恒、活荷载及风荷载作用的前提下，允许连梁适当开裂让内力转移到墙肢上，从而控制其实际弯矩及剪力值。为了保证连梁正常使用状态下的工作性能，控制裂缝不要开展过大，连梁折减系数不要取得太小，设计时要根据建筑的抗震设防烈度的高低确定连梁的刚度折减系数，连梁折减系数不宜小于0.5。
5.2 增大连梁跨高比
通过减小连梁高度或增大连梁跨度可以增大连梁的跨高比，从而减小连梁的线刚度，使之承担的地震剪力减小，使连梁的受剪承载力满足规范要求。
5.3 增大连梁宽度
增大连梁宽度可以使连梁的抗剪承载力线性增加，同时连梁吸收的地震力随连梁宽的增加的不多，从而使平均剪应力降低，满足规范要求。但这种方法往往需要在连梁两端加设端柱或墙垛，因此需要与建筑专业沟通后方可采用。
5.4 提高连梁混凝土等级
提高连梁混凝土等级可以在不增大连梁地震剪力的情况下提高连梁的抗剪承载力，但是不是很经济，这种方法通常在本层多数连梁均超限且超过规范要求数值不大的情况采用。
5.5 设双缝连梁
通过在连梁中间设缝可以在不减小连梁抗剪总截面的情况下将一根连梁拆分为两个跨高比较大的连梁，使连梁从剪切破坏转变为弯曲破坏，设缝连梁对降低单连梁的剪力和弯矩有明显作用。
5.6 根据连梁减压比条件设计连梁
当连梁弯曲裂缝对连梁的正常使用没有很大影响且超限连梁数量不多时，也可按连梁的减压比条件控制连梁的配筋[4]。首先按照连梁跨高比大于2.5和跨高比小于2.5时，连梁的减压比和抗剪承载力要求，推算出极限减压比条件下满足最大剪力设计值的连梁箍筋面积。由于连梁剪力与弯矩呈导数关系，当地震工况下，梁端剪力达到最大剪力设计值时，此时的梁端弯矩也是确定的，因此可以根据最大剪力设计值推算出连梁达到抗剪极限时的连梁弯矩。根据此弯矩得出的连梁纵筋配筋面积为连梁纵筋配筋面积的上限。《混凝土结构设计规范》11.3.6最小配筋率计算得到的配筋面积为连梁配筋面积的下限。如此，可以保证连梁的纵筋先于连梁的箍筋屈服，连梁受弯破坏，破坏形式为延性破坏，满足强剪弱弯的设计要求。当地震来临时，连梁吸收地震力并产生塑性铰，多余的地震力由墙肢承担，此时，连梁仍对墙肢有部分约束作用。需注意，用这种方法调整连梁配筋，需对与其相邻的上下层连梁及周边墙肢的地震力进行放大，适当加强上下层连梁及周边墙肢的配筋。
6 约束边缘构件箍筋的设置
剪力墙的约束边缘构件分为阴影区和非阴影区，对于阴影区部分的纵筋、箍筋构造值规范做出了较明确的要求，需注意约束边缘构件按墙端暗柱计算得出的纵筋计算配筋面积大于构造配筋面积时，纵筋需按计算配筋面积配置，当剪力墙的某段墙肢全部为边缘构件时，还需注意此处边缘构件箍筋需按墙体水平筋计算值和边缘构件计算值取包络设计。对于非阴影区，规范要求非阴影区的体积配箍率不小于阴影区计算值的一半，当阴影与非阴影区纵筋间距相等时，可让非阴影的拉筋水平间距与阴影区相同的情况下，拉筋及箍筋的垂直间距采用阴影区的一倍；阴影区纵筋间距较小时，非阴影区拉筋及箍筋垂直间距与阴影区相同。
7 结论
本文分析了高层剪力墙结构设计时，墙肢的长度及厚度的初步选取范围，墙肢长度不宜大于8m且墙段高宽比应大于2，抗震设计时厚度可取180～200mm左右；对于扭转周期比超限的剪力墙结构，可采取调整洞口尺寸、墙肢厚度等方法进行局部刚度调整，也可以从整体上增加外圈结构刚度减小内部结构刚度，调整结构的刚度分布；对于有角窗的剪力墙结构，可在保证角窗处墙肢厚度的情况下，通过增大墙端暗柱配筋、增加暗梁、加厚楼板厚度等方式确保结构的安全性；对于抗剪超限的连梁，可以采用连梁刚度折减、增大连梁跨高比、增大连梁宽度、提高连梁混凝土等级、连梁中间设缝、根据减压比条件反算连梁配筋六种方式进行调整；总结了约束边缘构件配筋时需要注意的一些问题。
随着建筑科技时代的到来，高层建筑的剪力墙结构设计种类日益增多，在针对不同的工程进行具体设计时，应按照项目特征，通过计算处理剪力墙的受力状态及破坏形态，综合考虑以便保证结构的安全性。充分了解并系统熟悉建筑规范，具备完善的结构思维，才会使设计结果在满足安全和经济适用的基础上，达到更高的水准。
【参考文献】
【1】GB50010-2010（2015版） 混凝土结构设计规范[S].
【2】JGJ 3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].
【3】GB50011-2010（2016版） 建筑抗震设计规范[S].
【4】中国计划出版社编.全国民用建筑工程设计技术措施-结构（混凝土結构）[M].北京：中国计划出社，2012.
