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【摘要】：作者根据多年建筑设计的经验，介绍了现在高层建筑剪力墙的结构设计，并对剪力墙结构计算原则以及剪力墙结构的墙体配筋进行了探讨。
【关键词】：高层建筑，结构计算，剪力墙结构设计，计算原则
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
1.高层建筑的概念设计
《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）规定：高层建筑结构不应全部采用短肢剪力墙结构。短肢剪力墙较多时，应布置筒体（或一般剪力墙），形成短肢剪力墙与筒体（或一般剪力墙）共同抵抗水平力的剪力墙结构。抗震设计时，筒体和一般剪力墙所承担的第一振型底部地震倾覆力矩不能小于结构总底部地震倾覆力矩的50%。一般认为，短肢剪力墙承担的第一振型底部地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩的30%～50%时属短肢剪力墙结构。短肢剪力墙结构抗震性能比较差，经济指标也不好，所以在实际工程中尤其是地震区尽可能避免采用。设计中应使结构竖向和水平向具有合理的刚度及承载力，尽量将剪力墙的墙肢截面高度（至少要保证一肢）做成大于8倍墙厚才能符合一般的剪力墙。剪力墙尽可能设计成“L”形，有利于剪力墙结构的稳定性，同时能够形成较好的侧向刚度。在满足规范的每项指标的情况下，更能减轻结构的自重，减小结构构件，有利于降低工程造价。根据工程经验，对于“L”形、“T”形剪力墙，当一个方向的墙符合一般墙的要求时，另一个方向的墙肢也不能过短，较短的墙肢常常会出现较大的配筋，一般应控制在1m左右，使墙端暗柱配筋接近构造配筋为宜。
2.剪力墙结构计算的基本假定
剪力墙结构体系是由一系列纵向和横向剪力墙及楼盖所组成的空间结构。剪力墙承受竖向和水平向荷载作用。在竖向荷载作用下，各片剪力墙受力分析都较简单，但在水平荷载作用下则比较复杂，为简化计算，做以下基本假定：
（1）楼盖的平面内抗弯刚度视为“无限大”，所以在水平荷载作用下，只产生刚体运动，并将水平荷载分配给每片剪力墙，而不发生水平方向的弯曲与变形；而在平面外，因为刚度很小，可忽略不计。按此假定，当结构不发生扭转时，每片剪力墙在水平荷载作用下侧向位移相等。这样，整个建筑上所承受的水平荷载就可以按每片剪力墙的等效抗弯刚度的大小，按比例来进行分配，然后再进行内力及位移计算。
（2）有效抗弯刚度应按剪力墙中的顶点侧移相等，考虑弯曲变形和剪切变形后，折算为竖向悬臂受弯构件的抗弯刚度。对于沿竖向刚度较均匀的结构，每片剪力墙都能按以下三种情况之一计算其等效刚度，均布荷载、倒三角形的荷载、顶点集中荷载。
3.剪力墙结构设计计算原则
剪力墙结构设计时，应按照规范要求综合来考察结构是否合理，下面是对结构设计中须重点关注的几种技术指标的调整原则的浅析，若有不对之处，请广大同行指正。
3.1楼层最小剪力系数（剪重比）的调整原则
在满足短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩不超过30%的前提下尽可能少布置剪力墙，以大开间剪力墙布置方案为目标，使结构具有适宜的侧向刚度，使楼层最小剪力系数接近规范限值（不小于限值）。这样能够减轻结构自重，有效减小地震作用的输入，同时降低工程造价。
3.2楼层层间最大位移与层高之比（位移）的调整原则
规范规定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时，以楼层竖向构件最大的水平位移差计算，不扣除结构整体弯曲变形。由此可见，对于一般的高层建筑，重点是楼层间的剪切变形和扭转变形。剪切变形的控制是以竖向构件的多少决定的，竖向构件足够多（剪重比偏大）但如果布置也不合理，就会造成扭转变形过大，同样也就无法满足层间位移的要求。因此，对于高层建筑应尽量使扭转变形最小，而不能仅根据层间位移不够不加分析地增加竖向构件的刚度。
3.3结构扭转为主的第一自振周期
根据《高规》第3.4.5条规定，结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.90。限定周期比是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不至于出现过大的扭转效应。在实际工程设计中，应把结构竖向构件尽量沿建筑周边布置，降低结构中间构件的刚度，这样就可以提高结构的侧向刚度，同时还能较大幅度的提高结构的整体刚度。
3.4剪力墙连梁超限的调整原则
剪力墙连梁的跨高比不宜小于2.5，跨高比小于2.5的连梁很容易出现剪力和弯矩超过规范限值。《高规》规定跨高比不小于5的连梁宜按框架梁进行设计。即跨高比不小于5的连梁刚度不应折减。而跨高比在5～6之间时，若连梁刚度不折减则也易出现剪力或弯矩超限。作者认为该条文在实际工程设计中若能充分利用，将对节省工程造价有着非常明显的影响，如跨高比不大于5的连梁（刚度需折减），通过减小剪力墙墙肢长度或减小梁高，使连梁跨高比变为大于6的框架梁（刚度不折减），这样，后者的钢筋及混凝土用量将会均小于前者，这对于节省工程投资具有很重要的意义。
4.剪力墙结构的墙体配筋
对于剪力墙结构来说，剪力墙面积大，因此合理的控制剪力墙配筋对于结构安全及工程的经济性具有十分重要的作用。剪力墙墙体配筋一般要求水平钢筋放在外侧，竖向钢筋放在内侧，配筋满足计算及规范建议的最小配筋率即可，但地下部分墙体配筋都是通过计算来确定。因为地下部分墙体的配筋大多由水压力、土压力产生的侧压力控制，而由于简化计算经常由竖向筋控制，此种情况下应增大墙体厚度，增加有效计算高度，可将地下部分墙体的水平筋放在内侧，竖向钢筋放在外侧。地下部分墙体钢筋保护层按《地下工程防水技术规范》第4.1.6条规定：迎水面保护层应大于50mm。
5.剪力墙设计
剪力墙要承受竖向荷载，一般都是结构自重和楼面荷载，通过楼面才传递到剪力墙。竖向荷载除了在连梁（门窗洞口上的梁）内产生弯矩以外，在墙肢内主要产生轴力。可以按照剪力墙的受荷面积简单计算。在水平荷载作用下，剪力墙受力分析实际上是二维平面问题，精确计算应按照平面问题进行求解。可借助于计算机，来用有限元方法进行计算。计算精度高，但工作量也是非常大。在工程设计中，可以根据不同类型剪力墙的受力特点，进行简化计算。整体墙和小开口整体墙：在水平力的作用下，整体墙类似于一悬臂柱，可以按照悬臂构件来计算整体墙的截面弯矩和剪力。小开口的整体墙，因为洞口的影响，墙肢间应力分布也就不再是直线，但偏离也不大。可以在整体墙计算方法的基礎上加以修正。联肢墙：联肢墙是由一系列连梁约束的墙肢所组成，可采用连续化的方法近似计算。壁式框架：壁式框架可以简化为带刚域的框架，用改进的反弯点法来进行计算。框支剪力墙和开有不规则洞口的剪力墙：此两类剪力墙都是相当复杂，最好能使用有限元法借助于计算机进行计算。框架结构和剪力墙结构，两种结构体系在水平荷载下的变形规律是完全不相同的。在结构的底部，框架能将剪力墙右拉；在结构顶部，框架也能把剪力墙向左推。因此，框架剪力墙结构底部侧移比纯框架结构的侧移要小一些，比纯剪力墙结构的侧移要大一些；其顶部侧移就正好相反。框架和剪力墙在共同承担外部荷载的同时，两者之间也能保持变形协调还存在着相互作用。框架和剪力墙之间的这种相互作用关系，即为协同工作原理。
6.结束语
随着现代商品住宅建筑在各大城市建设中的发展，高层住宅建筑也将会大量采用剪力墙结构。因为具有较好的抗震性能，且结构布置灵活、造价低、经济性好等各种优点，使我们在设计中更加注重各方面的优化设计，方可使结构在整体上安全合理，确保高层建筑的安全性。
【参考文献】：
【1】李雪峰.房屋剪力墙结构设计的思考［J］.中国新技术新产品，2010（03）；
【2】吴继成.高层框架剪力墙结构设计［J］.建设科技，2010（06）.
【关键词】：高层建筑，结构计算，剪力墙结构设计，计算原则
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
1.高层建筑的概念设计
《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）规定：高层建筑结构不应全部采用短肢剪力墙结构。短肢剪力墙较多时，应布置筒体（或一般剪力墙），形成短肢剪力墙与筒体（或一般剪力墙）共同抵抗水平力的剪力墙结构。抗震设计时，筒体和一般剪力墙所承担的第一振型底部地震倾覆力矩不能小于结构总底部地震倾覆力矩的50%。一般认为，短肢剪力墙承担的第一振型底部地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩的30%～50%时属短肢剪力墙结构。短肢剪力墙结构抗震性能比较差，经济指标也不好，所以在实际工程中尤其是地震区尽可能避免采用。设计中应使结构竖向和水平向具有合理的刚度及承载力，尽量将剪力墙的墙肢截面高度（至少要保证一肢）做成大于8倍墙厚才能符合一般的剪力墙。剪力墙尽可能设计成“L”形，有利于剪力墙结构的稳定性，同时能够形成较好的侧向刚度。在满足规范的每项指标的情况下，更能减轻结构的自重，减小结构构件，有利于降低工程造价。根据工程经验，对于“L”形、“T”形剪力墙，当一个方向的墙符合一般墙的要求时，另一个方向的墙肢也不能过短，较短的墙肢常常会出现较大的配筋，一般应控制在1m左右，使墙端暗柱配筋接近构造配筋为宜。
2.剪力墙结构计算的基本假定
剪力墙结构体系是由一系列纵向和横向剪力墙及楼盖所组成的空间结构。剪力墙承受竖向和水平向荷载作用。在竖向荷载作用下，各片剪力墙受力分析都较简单，但在水平荷载作用下则比较复杂，为简化计算，做以下基本假定：
（1）楼盖的平面内抗弯刚度视为“无限大”，所以在水平荷载作用下，只产生刚体运动，并将水平荷载分配给每片剪力墙，而不发生水平方向的弯曲与变形；而在平面外，因为刚度很小，可忽略不计。按此假定，当结构不发生扭转时，每片剪力墙在水平荷载作用下侧向位移相等。这样，整个建筑上所承受的水平荷载就可以按每片剪力墙的等效抗弯刚度的大小，按比例来进行分配，然后再进行内力及位移计算。
（2）有效抗弯刚度应按剪力墙中的顶点侧移相等，考虑弯曲变形和剪切变形后，折算为竖向悬臂受弯构件的抗弯刚度。对于沿竖向刚度较均匀的结构，每片剪力墙都能按以下三种情况之一计算其等效刚度，均布荷载、倒三角形的荷载、顶点集中荷载。
3.剪力墙结构设计计算原则
剪力墙结构设计时，应按照规范要求综合来考察结构是否合理，下面是对结构设计中须重点关注的几种技术指标的调整原则的浅析，若有不对之处，请广大同行指正。
3.1楼层最小剪力系数（剪重比）的调整原则
在满足短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩不超过30%的前提下尽可能少布置剪力墙，以大开间剪力墙布置方案为目标，使结构具有适宜的侧向刚度，使楼层最小剪力系数接近规范限值（不小于限值）。这样能够减轻结构自重，有效减小地震作用的输入，同时降低工程造价。
3.2楼层层间最大位移与层高之比（位移）的调整原则
规范规定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时，以楼层竖向构件最大的水平位移差计算，不扣除结构整体弯曲变形。由此可见，对于一般的高层建筑，重点是楼层间的剪切变形和扭转变形。剪切变形的控制是以竖向构件的多少决定的，竖向构件足够多（剪重比偏大）但如果布置也不合理，就会造成扭转变形过大，同样也就无法满足层间位移的要求。因此，对于高层建筑应尽量使扭转变形最小，而不能仅根据层间位移不够不加分析地增加竖向构件的刚度。
3.3结构扭转为主的第一自振周期
根据《高规》第3.4.5条规定，结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.90。限定周期比是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不至于出现过大的扭转效应。在实际工程设计中，应把结构竖向构件尽量沿建筑周边布置，降低结构中间构件的刚度，这样就可以提高结构的侧向刚度，同时还能较大幅度的提高结构的整体刚度。
3.4剪力墙连梁超限的调整原则
剪力墙连梁的跨高比不宜小于2.5，跨高比小于2.5的连梁很容易出现剪力和弯矩超过规范限值。《高规》规定跨高比不小于5的连梁宜按框架梁进行设计。即跨高比不小于5的连梁刚度不应折减。而跨高比在5～6之间时，若连梁刚度不折减则也易出现剪力或弯矩超限。作者认为该条文在实际工程设计中若能充分利用，将对节省工程造价有着非常明显的影响，如跨高比不大于5的连梁（刚度需折减），通过减小剪力墙墙肢长度或减小梁高，使连梁跨高比变为大于6的框架梁（刚度不折减），这样，后者的钢筋及混凝土用量将会均小于前者，这对于节省工程投资具有很重要的意义。
4.剪力墙结构的墙体配筋
对于剪力墙结构来说，剪力墙面积大，因此合理的控制剪力墙配筋对于结构安全及工程的经济性具有十分重要的作用。剪力墙墙体配筋一般要求水平钢筋放在外侧，竖向钢筋放在内侧，配筋满足计算及规范建议的最小配筋率即可，但地下部分墙体配筋都是通过计算来确定。因为地下部分墙体的配筋大多由水压力、土压力产生的侧压力控制，而由于简化计算经常由竖向筋控制，此种情况下应增大墙体厚度，增加有效计算高度，可将地下部分墙体的水平筋放在内侧，竖向钢筋放在外侧。地下部分墙体钢筋保护层按《地下工程防水技术规范》第4.1.6条规定：迎水面保护层应大于50mm。
5.剪力墙设计
剪力墙要承受竖向荷载，一般都是结构自重和楼面荷载，通过楼面才传递到剪力墙。竖向荷载除了在连梁（门窗洞口上的梁）内产生弯矩以外，在墙肢内主要产生轴力。可以按照剪力墙的受荷面积简单计算。在水平荷载作用下，剪力墙受力分析实际上是二维平面问题，精确计算应按照平面问题进行求解。可借助于计算机，来用有限元方法进行计算。计算精度高，但工作量也是非常大。在工程设计中，可以根据不同类型剪力墙的受力特点，进行简化计算。整体墙和小开口整体墙：在水平力的作用下，整体墙类似于一悬臂柱，可以按照悬臂构件来计算整体墙的截面弯矩和剪力。小开口的整体墙，因为洞口的影响，墙肢间应力分布也就不再是直线，但偏离也不大。可以在整体墙计算方法的基礎上加以修正。联肢墙：联肢墙是由一系列连梁约束的墙肢所组成，可采用连续化的方法近似计算。壁式框架：壁式框架可以简化为带刚域的框架，用改进的反弯点法来进行计算。框支剪力墙和开有不规则洞口的剪力墙：此两类剪力墙都是相当复杂，最好能使用有限元法借助于计算机进行计算。框架结构和剪力墙结构，两种结构体系在水平荷载下的变形规律是完全不相同的。在结构的底部，框架能将剪力墙右拉；在结构顶部，框架也能把剪力墙向左推。因此，框架剪力墙结构底部侧移比纯框架结构的侧移要小一些，比纯剪力墙结构的侧移要大一些；其顶部侧移就正好相反。框架和剪力墙在共同承担外部荷载的同时，两者之间也能保持变形协调还存在着相互作用。框架和剪力墙之间的这种相互作用关系，即为协同工作原理。
6.结束语
随着现代商品住宅建筑在各大城市建设中的发展，高层住宅建筑也将会大量采用剪力墙结构。因为具有较好的抗震性能，且结构布置灵活、造价低、经济性好等各种优点，使我们在设计中更加注重各方面的优化设计，方可使结构在整体上安全合理，确保高层建筑的安全性。
【参考文献】：
【1】李雪峰.房屋剪力墙结构设计的思考［J］.中国新技术新产品，2010（03）；
【2】吴继成.高层框架剪力墙结构设计［J］.建设科技，2010（06）.