剪力墙结构组成及适用范围

1.剪力墙结构组成及适用范围

随着建筑物高度的增加，框架结构柱子的合理截面已难以承担由于竖向荷载，特别是由水平荷载产生的内力。为了抵抗外荷载，需要不断地增大柱的截面，以致造成了不合理的设计。用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱则能承担由各类荷载引起的内力，并能有效地控制结构的水平变形，如图1.74所示。

图1.74　剪力墙结构

剪力墙结构，系指由剪力墙组成的承受竖向和水平作用的结构。高层建筑结构中的剪力墙，多为钢筋混凝土剪力墙。钢筋混凝土剪力墙结构是指用钢筋混凝土墙板来承受竖向荷载和水平荷载的空间结构，墙体亦同时作为维护和分隔构件。由于墙板截面惯性矩大，整体性能好，因此剪力墙体系的侧向刚度是很大的，它能承担相当大的水平荷载。剪力墙结构体系的优点是抗侧力能力强，变形小，抗震性能好。从经济上分析，剪力墙结构以30～40层为宜。

剪力墙结构的主要缺点是剪力墙间距太小，不容易布置面积较大的房间，平面布置不灵活，不适于公共建筑，结构自重较大。剪力墙的间距受楼板构件跨度的限制，一般为3～5m。因剪力墙结构比较适用于要求较小房间的高层住宅、旅馆、办公楼等建筑。

在住宅和旅馆客房中采用剪力墙结构可以较好地适应墙体较多、房间面积不大的特点，而且可以避免使房间内部凸出梁柱，整齐美观。

2.剪力墙布置方案

剪力墙结构体系，按其体形可分为“条式”和“塔式”两种。“条式”建筑如图1.75（a）、（b）、（c）所示，“塔式”建筑如图1.75（d）、（e）、（f）示。剪力墙结构体系的结构布置可分述如下。

图1.75　剪力墙结构的布置形式

1）剪力墙的平面布置

剪力墙宜沿主轴方向（横向和纵向）或其他方向双向布置；抗震设计的剪力墙结构，应避免仅单向有墙的结构布置形式。剪力墙墙肢截面宜简单规则。剪力墙的横向间距，常由建筑开间而定，一般设计成小开间或大开间两种布置方案。对于高层住宅或旅馆建筑（层数一般为16～30层），小开间剪力墙间距可设计成3.3～4.2m；大开间剪力墙间距可设计成6～8m。前者，开间窄小，结构自重较大，材料强度得不到充分发挥，且会导致过大的地震效应，增加基础投资；后者，不仅开间较大，可以充分发挥墙体的承载能力，经济指标也较好。

剪力墙的纵向布置，一般设置为两道、两道半、三道或四道（图1.76）。对抗震设计，应避免采用不利于抗震的鱼骨式平面布置方案（图1.77）。由于纵横墙连成整体，从而形成L形、T形、工形、C形截面，以增强平面内刚度，减少剪力墙平面外弯矩或梁端弯矩对剪力墙的不利影响，有效防止发生平面外失稳破坏。由于纵墙与横墙的整体连接，考虑到在水平荷载作用下纵横墙的共同工作，因此在计算横墙受力时，应把纵墙的一部分作为翼缘考虑；而在计算纵墙受力时，则应把横墙的一部分作为翼缘考虑。

图1.76　剪力墙布置方案

图1.77　鱼骨式剪力墙布置

2）剪力墙的立面布置

剪力墙的高度一般与整个房屋的高度相同，自基础直至屋顶，高达几十米或一百多米。剪力墙的立面宜自下而上连续布置，避免刚度突变。剪力墙开设门窗洞口时，宜上下对齐，成列布置，形成明确的墙肢和连梁，使墙肢和连梁传力直接，受力明确，不仅便于钢筋配置，方便施工，经济指标也较好。否则将会形成错洞墙或不规则洞口，这将使墙体受力复杂，洞口角边容易产生明显的应力集中，地震时容易发生震害。

3）墙体长度

单片剪力墙的长度不宜过长，《高层规程》规定，每个墙肢（或独立墙段）的截面高度不宜大于8m。这是因为过长的墙肢，一方面，使墙体的延性降低，容易发生剪切破坏；另一方面，会导致结构刚度迅速增大，结构自振周期过短，从而加大地震作用，对结构抗震不利。当墙肢超过8m，宜采用弱连梁的连接方法，将剪力墙分成若干个墙段，或将整片剪力墙形成由若干墙段组成的联肢墙。此外，剪力墙与剪力墙之间的连梁上不宜设置楼面主梁。

4）框支剪力墙的布置要求

剪力墙结构布置，虽适合于宾馆、住宅的标准层建筑平面，但却难以满足底部大空间、多功能房间的使用要求。这时需要在底层或底部若干层取消部分剪力墙，而改成框支剪力墙。框支剪力墙为剪力墙结构的一种特殊情况。其结构布置应满足以下要求：

（1）控制落地剪力墙的数量与间距。

对于矩形平面的剪力墙结构，落地剪力墙的榀数与全部横向剪力墙的比值，非抗震设计时不宜少于30%，抗震设计时不宜少于50%。落地剪力墙的间距L应满足以下要求：非抗震设计时，L≤3B，且L≤36m；抗震设计时，底部为1～2层框支层时，L≤2B，且L≤24m；底部为3层及3层以上框支层时，L≤1.5B，且L≤20m。其中，B为楼盖结构的宽度。

（2）控制建筑物沿高度方向的刚度变化幅度。

对于底层大空间剪力墙结构，在沿竖向布置上，最好使底层的层刚度和二层以上的层刚度，接近相等。抗震设计时，不应超过2倍；非抗震设计时，不应大于3倍。(www.xing528.com)

（3）框支梁柱截而的确定。

框支梁柱是底部大空间部分的重要支承构件，它主要承受垂直荷载及地震倾覆力矩，其截面尺寸要通过内力分析，从结构强度、稳定和变形等方面确定。经试验证明，墙与框架交接部位有几个应力集中区段，在这些部位的配筋均需加强。框架梁的截面高度一般可取为(1/6～1/8)L1，L1为梁的跨度。框架柱截面应符合轴压比N/fcbh≤0.6，N为地震作用及竖向荷载作用下轴压力设计值，fc为混凝土轴心抗压强度设计值。

（4）底层楼板应采用现浇混凝土。

底层楼板应采用现浇混凝土的强度等级不宜低于C30，板厚不宜小于180mm，楼板的外侧边可利用纵向框架梁或底层外纵墙加强。楼板开洞位置距外侧边应尽量远一些，在框支墙部位的楼板则不宜开洞。

3.剪力墙结构的受力特点

如图1.78所示，剪力墙结构体系中的纵墙和横墙，在水平荷载作用下，其工作状况犹如一根底部嵌固于顶面的悬臂梁，墙体是在压、弯、剪的复合状态下工作的。其受力特点主要有：竖向荷载和水平作用全由剪力墙承担；剪力墙抗侧刚度大，侧位移小，属刚性结构；水平作用下，剪力墙变形呈弯曲型；剪力墙结构开间死板，建筑布置不灵活。

图1.78　剪力墙的受力状态

当房屋层数较少，墙体的高宽比值小于1时，在水平荷载下，墙体以剪切变形为主，墙体的侧移曲线呈剪切型；当房屋层数很多，墙体的高宽比值大于4时，墙体在水平荷载下的侧移，则是以弯曲变形为主，墙体的侧移曲线接近弯曲型；墙体的髙宽比值在1到4之间时，墙体的剪切变形和弯曲变形各占一定比例，侧移曲线呈剪弯型。

剪力墙结构中，由钢筋混凝土墙体承受全部水平和竖向荷载，剪力墙沿建筑横向、纵向正交布置或沿多轴线斜交布置，在抗震结构中，应避免单向布置剪力墙，并宜使两个方向刚度接近；这种结构刚度大，空间整体性好，用钢量较省。现浇钢筋混凝土剪力墙体系，由于结构整体性强，结构在水平荷载下的侧向变形小，而且承重能力有很大富余，地震时墙体即使严重开裂，强度衰减，其承载能力也很少降低到承重所需要的临界承载力以下。所以，现浇剪力墙结构体系具有较高的抗震能力。历次地震中，剪力墙结构表现了良好的抗震性能，震害较少发生，而且程度也较轻微。

4.剪力墙的分类

剪力墙的类型有整体墙、整体小开口墙、双肢墙、多肢墙、壁式框架和框支墙等6种形式，如图1.79所示。

1）整体剪力墙

整体剪力墙为墙面上不开洞口或洞口很小的实体墙，如图1.79（a）所示。后者系指其洞口面积小于整个墙面面积的15%，且洞口之间的距离及洞口距墙边的距离均大于洞口的长边尺寸的剪力墙。整体剪力墙在水平荷载作用下，以悬臂梁（嵌固于基础顶面）的形式工作，与一般悬臂梁不同之处，仅在于剪力墙为典型的深梁，在变形计算中不能忽略它的剪切变形。

图1.79　剪力墙的类型

2）整体小开口剪力墙

对于开有洞口的实体墙，上、下洞口之间的墙，在结构上相当于连系梁，通过它将左右墙肢联系起来。如果连系梁的刚度较大，洞口又较小（但洞口面积大于总面积的15%），则属于整体小开口剪力墙，如图1.79（b）所示。整体小开口剪力墙是整体墙与联肢墙的过渡形式。由于开设洞口而使墙内力与变形比整体墙大，连系梁仍具有较大的抗弯、抗剪刚度，而使墙肢内力与变形又比联肢墙小。从总体上看，整体小开口剪力墙的整体性较好，变形时墙肢一般不出现反弯点，故更接近于整体墙。

3）联肢剪力墙

如果墙体洞口较大，连系梁的刚度较小，一般称为联肢墙，如图1.79（c）、（d）所示。联肢墙可看作是通过连系梁连接而成的组合式整体墙。如果洞口的宽度较小，连梁和墙肢的刚度均较大，则接近于整体小开口剪力墙；如果洞口的宽度较大，连梁和墙肢的刚度均较小，则接近于壁式框架；如果墙肢的刚度大，而连梁的刚度过小，则每个墙肢相当于用两端铰接的链杆联系起来的单肢整体墙。后者，当整个联肢墙发生弯曲变形时，可能在连系梁中部出现反弯点（反弯点处只有剪力和轴力），此时，每个墙肢相当于同时承受外荷载和反弯点处剪力和轴力的悬臂梁。

4）壁式框架

如果墙体洞口的宽度较大，则连系梁的截面高度与墙肢的宽度相差不大（二者线刚度大致相近），这种墙体在水平荷载作用下的工作很接近于框架。只不过梁与柱截面高度都很大，故工程上将这种墙体称为壁式框架，如图1.79（e）所示。它与一般框架的主要不同点在于梁柱节点刚度极大，靠近节点部分的梁与柱可以近似地认为是一个不变形的区段，即所谓“刚域”。在计算内力和变形时，梁与柱均应按变截面杆件考虑，其抗弯、抗剪刚度均需作进一步修正。

5）框支剪力墙

框支剪力墙在标准层采用剪力墙结构，而底层为适应大空间要求而采用框架结构（底层的竖向荷载和水平作用全部由框架的梁、柱来承受），如图1.79（f）所示。这种结构，在地震作用的冲击下，常因底层框架刚度太弱、侧移过大、延性较差，或因强度不足而引起破坏，甚至导致整幢建筑倒塌。近年来，这种底层为纯框架的剪力墙结构，在地震区已很少采用。

结构的受力性能，提高建筑物的抗震能力，在结构平面布置中，可将一部分剪力墙落地并贯通至基础，称为落地剪力墙；而另一部分，底层仍为框架，如图1.80（a）所示。

图1.80　框支剪力墙

图1.80（b）为框支剪力墙和落地剪力墙协同工作体系的计算简图，二者通过楼盖（刚性链杆）连接起来共同承受水平作用。