韩珲
泛华建设集团有限公司南京设计分公司 江苏南京 210000
摘要：随着科技水平和国民经济的不断进步，人民越来越渴望改善自身的居住条件，此时就给建筑行业提出了更高的要求。住宅作为一种最普遍的建筑形式，主要由设计水平和施工水平所控制。从事结构设计工作数年来，笔者参与了较多住宅项目，认为结构设计工作是任务繁杂且责任大的，需要投入更多的精力来做好这项工作。高层住宅广泛采用剪力墙结构，在进行剪力墙结构设计时有一些问题需要引起注意，本文对此作出了一些总结。
关键词：高层剪力墙；概念设计；结构布置；短肢剪力墙
Application and Analysis of Shear Wall Structure System in High-rise Residence
Han Hui
Fanhua Construction Group Co., Ltd. Nanjing Design Branch, Nanjing, Jiangsu 210000
Abstract: With the continuous progress of science and technology and the national economy, people are more and more eager to improve their own living conditions. At this time, higher requirements are placed on the construction industry. As the most common building form, residential engineering is mainly controlled by the design level and construction level. I have been engaged in structural design for several years and have participated in many residential projects. This article believes that structural design is a complex task and a big responsibility, and more energy is needed to do this work well. Shear wall structures are widely used in high-rise residential buildings. There are some problems that need attention in the design of shear wall structures. The author has made some conclusions.
Keywords: residential engineering; conceptual design; structural layout; short-leg shear wall
1.引言
住宅具有较多的结构形式，如：砖混、框架、剪力墙和异形柱结构。近些年，随着科技水平和国民经济的不断提升，高层以及大高层住宅不断出现。剪力墙是住宅中最为普遍的结构形式，在进行结构设计时保证设计方案合理性、经济性尤为重要。进行住宅结构设计的一般步骤为：建筑专业设计建筑物的平面、竖向布置图；在平面布置图的基础上按照工程经验假定每个构件的尺寸；在结构分析软件中建立建筑结构的模型，进行结构受力分析；依据结构计算结果，对局部不符合要求的构件进行调整，直到整个建筑结构能够满足规范要求。按照这种方式进行结构设计时，更多的是凭借自身工程经验，而关于设计方案是否合理、构件尺寸是否偏大，往往无法确定，这就可能引起结构构件性能的过剩而丧失经济性。除此之外，建筑设计师设计建筑方案时，有时会因为内部空间或者立面效果的要求，使结构设计出现一些问题，不利于结构受力或者抗震性能的充分发挥。如：由于剪力墙的非均匀排布，使结构出现刚度偏心、扭矩；顶部平面的不规则；出现较多的一字短墙。由此可见，概念设计在整个建筑的设计工作中起着重要的作用，在进行建筑平面布置及构造设计应该考虑更多的因素，为业主提供最为经济、安全的设计方案。
2.高层剪力墙结构设计的一些理解
2.1 结构工程师及早参与建筑概念设计
建筑设计师的概念设计对于后续的设计工作都有着较大的影响，如果事先不能提供一个合理的概念设计，那么后面的结构设计工作也就失去了意义。结构设计师受制于建筑专业、业主单位，但他们一般不熟悉结构设计理念。从事结构设计工作多年以来，认为在进行建筑方案定制工作时，尤其针对较为复杂的高层、大高层建筑，结构设计师应该参与方案的定制，这样就能避免很多问题的出现。有一个典型的例子：尼加拉瓜马那瓜市于1972年发生的地震（6.5级）中，距离不远的美洲银行和中央银行出现了截然不同的结果。美洲银行的结构除了部分楼层连梁出现了较为轻微的斜裂缝外，结构整体并没有受到太大的影响；但中央银行却在地震中破坏严重，最终建筑修复的费用甚至高达其原造价的80%。究其原因，美洲银行由林同炎大师所设计，结构形式为对称布置的核心筒，结构的抗震性能较好；而中央银行的结构形式是双柱框架结构，其框架梁的跨度为12.5米，同时两个电梯井筒被偏置在一端，结构抗震性能较差。这个例子就很好的说明了结构专业概念设计的作用。
2.2 结构布置的合理性
《抗震规范》要求在进行建筑结构平面布置时，尽量保证结构的规则、对称，并提高整个结构的整体性，这样得到的设计结果较为合理，结构分析软件得到的各项计算指标较好。图1为笔者设计的一个住宅结构的平面布置图。亚东国际公寓属于大高层，共30层，位于7度区，属于Ⅲ类场地。在进行结构构件布置时，尽量保证了整个结构的对称性，并且经过了多次调整，最终使得各个墙肢的布置形式都较合理。结构分析软件计算结果表明，得到的计算指标都较好，表1为该高层住宅的计算指标。
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另外，在进行剪力墙的平面布置时，应注意保持墙体布置的均匀性，尽量保证整个结构质心、钢心重合，同时使得结构沿x与y方向刚重比一致；最好不要出现一字剪力墙的形式，如果无法规避，可以将其更改为长墙的形式；剪力墙与其平面外相交的楼面梁刚接的情况，不利于结构受力，可通过在相应位置设置暗柱的方式加以调整；转角处经常会出现应力集中的现象，因此应提高转角处墙肢的长度（两个方向均宜布置为长墙），这将有利于增强结构抗扭性能。
2.3 配筋及构造
目前，业主单位越来越重视控制工程建设成本，这就给结构设计提出了更高的要求。对于一栋高层住宅，剪力墙在整个受力体系中起着重要的作用，同时剪力墙也在总成本中占据了较大的份额，因此合理地进行剪力墙布置和配筋有着重要的意义，能够有效的保证结构的安全性和经济性。对于剪力墙的配筋及构造，有以下几点需要引起重视：
（1）对于剪力墙结构的配筋，通常将水平、竖向钢筋分别放置于外侧和内侧，然后还需满足规范要求的最小配筋率。而对于具体的配筋值，可设置加强区为D10@200，非加强区D8@200双层双向，同时在双排钢筋间设置D6@600×600的拉筋。地下部分墙体与其有一定的区别，具体来说是因为其配筋受水压力和土压力所影响。但实际设计时由于简化计算的影响，往往出现由竖向筋所决定的情况，若要提高所设计地下部分墙体的有效计算高度，可通过把水平筋布置于内侧、竖向筋布置于外侧的方式加以调整。地下墙体的保护层按照规范要求应为50mm，且应增设双向钢筋网片。在验算墙体裂缝的时候，若按照50mm来确定有效截面高度是不合适的。增设了双向钢筋网片时，可适当减小计算保护层的数值（30mm），这将显著降低墙体的配筋量，具有较高的经济性。
（2）按照规范要求进行剪力墙设计时，剪力墙两端应当布置边缘构件。对于一级和二级抗震要求的剪力墙，要求在其底部加强区域和上一层的墙体末端布置约束边缘构件，其他的应按规范要求布置构造边缘构件。构造边缘构件的使用更为广泛，因此对其配筋作一些探讨。根据剪力墙受力特点和类别，应将其作适当的分类，并分别进行相应的配筋计算。可分为常规的剪力墙、短肢剪力墙以及小墙肢等形式。普通剪力墙的配筋要符合最小配筋率的要求，可将加强区设置为0.7%，其他位置取0.5%；短肢剪力墙的加强区可设置为1.2%，其他位置取1.0%；小墙肢由于自身的特殊性，其受力性能相对较差，应当依据《高规》来加以约束，而其中轴压比指标较为重要。此时可将其视为框架柱来设计截面尺寸，对于纵向钢筋的配筋率，加强区应应取1.20%，而其他部位取1%。
（3）对于剪力墙内的连梁，如果遇到跨度较小但截面高度偏大的连梁，该构件在地震力的作用下将出现较大的弯矩和剪力，给设计工作带来很大的难度。出现这种情况时，若增加截面的高度，配筋值甚至不降反增。对于连梁高度的计算，通常是由洞顶到上一层的洞底（或楼面的标高）的距离。门洞采用上面两种计算方式得到的连梁高度是一致的，但窗洞却有一定的区别。若由窗洞到上一层窗底计算连梁的高度时，有时会出现高跨比偏大的情况，导致和计算的图形不一致，同时得到的配筋数值也很大。因此，我们进行剪力墙连梁设计工作时，可全部由洞顶到楼板面或屋面来计算连梁高度，而窗洞楼面至窗台部分可用砖或轻质材料砌筑。剪力墙连梁的配筋最好能保证对称，同时保持腰筋和墙体水平筋一致。
（4）在进行剪力墙结构设计时，有时会在剪力墙所在楼层设置较多的暗梁，而关于此处暗梁的作用也是众说纷纭。就框-剪结构来说，对于附近没有梁的剪力墙，通过设置暗梁有利于提高结构整体性，但不能够确定暗梁起着多大的作用，因此不宜设置较大断面、配筋的暗梁。
2.4 短肢剪力墙设计
关于长墙的定义，笔者亦发现了一些问题。《高规》定义一般剪力墙为墙肢截面的高度与厚度比值高于8的剪力墙，并将比值为5~8的剪力墙称为短肢剪力墙。按照规范设计时，就面临一个问题，高厚比临界值8.0附近（如7.9和8.1）的剪力墙有着不同的定义。高厚比为7.9和8.1的剪力墙本质上差别并不大，但按照规范得到的配筋将有着显著的差别。因此，可将长墙的高厚比设置在9.0以上，此时就可以和短肢剪力墙加以区分。此外，若墙肢的高厚比偏小，将不利于抗震设防，构件受力时易出现脆性破坏。实际设计剪力墙结构时，最好能够规避高厚比低于5.0的小墙肢，特别应禁止出现低于3.0的剪力墙。若确实无法规避这种小墙肢构件，可将其视为构造柱来进行调整，不再作为抗侧力构件参与受力；也能够把它作为框架柱进行计算，同时设置较小的轴压比，并适当提高配筋量。
3.总结
对于目前的住宅工程，大部分采用剪力墙结构，在进行该类结构的设计工作时，应合理布置结构构件，考虑更多的因素，明确整个结构的设计重点。在满足规范要求的前提下，提高结构设计水准并控制工程造价。实际设计时，应注重剪力墙结构的概念设计、结构构件的合理布置以及特殊部位的正确处理。
参考文献
[1]中华人民共和国住房和城乡建设部. GB50011-2010 建筑抗震设计规范[M]. 建筑工业出版社, 2016.
[2]中华人民共和国住房和城乡建设部. 高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3-2010[M]. 中国建筑工业出版社, 2011.
[3]中华人民共和国住房和城乡建设部. GB 50010-2010 混凝土结构设计规范[M]. 中国建筑工业出版社, 2015.