延性剪力墙实现措施，避免脆性破坏

（一）试题回顾

【试题3.2.1】 矩形截面单肢实体剪力墙的等效刚度（2001年）

某沿竖向刚度比较均匀的剪力墙结构，其中一片矩形截面的单肢实体墙的惯性矩为3.6×10¹²mm⁴，截面面积为1.2×10⁶mm²，墙高24m，混凝土强度等级为C30。试问该墙的等效刚度E_cI_eq（N·mm²）与下列何项数值最接近？

（A）8.6×10¹⁶ （B）10.2×10¹⁶ （C）10.3×10¹⁶ （D）10.8×10¹⁶

（二）柱型墙肢、短肢剪力墙和一般剪力墙

实际工程中剪力墙是与各层楼盖或连梁等构件连接形成的空间超静定体系，由于其墙身平面内的刚度较之其连接部件的刚度大得多，在实际计算中为了简化计算又能反映剪力墙的主要受力性能，可将实体剪力墙视为下端固定、上端自由的薄壁悬臂梁，按静定梁计算，这种只考虑一个墙肢的悬臂构件，是剪力墙的基本形式，其抗震性能是剪力墙结构抗震设计的基础。悬臂剪力墙既承受水平荷载所引起的弯矩、剪力，又承受重力荷载所引起的轴向力。整截面墙是截面高度大而厚度相对很小的片状构件。有承载力大和平面内刚度大等优点，也具有剪切变形相对较大、平面外较薄弱的不利性能。经过合理设计，悬臂实体剪力墙可达到具有良好变形能力的延性构件。

悬臂实体剪力墙根据墙肢截面高度与厚度之比的不同可分为柱型墙肢、短肢剪力墙和一般剪力墙三类。在设计时的计算、配筋均是有差别的。

1.柱型墙肢

《高层建筑混凝土结构技术规程》规定：

7.1.7 当墙肢的截面高度与厚度之比不大于4时，宜按框架柱进行截面设计。

《高层建筑混凝土结构技术规程》的条文说明：

7.1.7 剪力墙与柱都是压弯构件，其压弯破坏状态以及计算原理基本相同，但是截面配筋构造有很大不同，因此柱截面和墙截面的配筋计算方法也各不相同。为此，要设定按柱或按墙进行截面设计的分界点。为方便设置边缘构件和分布钢筋，墙截面高厚比h_w/b_w宜大于4。本次修订修改了以前的分界点，规定截面高厚比h_w/b_w不大于4时，按柱进行截面设计。

《混凝土结构设计规范》规定：

9.4.1 竖向构件截面长边、短边（厚度）比值大于4时，宜按墙的要求进行设计。

《混凝土结构设计规范》的条文说明：

9.4.1 根据工程经验并参考国外有关的规范，长短边比例大于4的竖向构件定义为墙，比例不大于4的则应按柱进行设计。

《建筑抗震设计规范》规定：

6.4.6 抗震墙的墙肢长度不大于墙厚的3倍时，应按柱的有关要求进行设计；矩形墙肢的厚度不大于300mm时，尚宜全高加密箍筋。

《建筑抗震设计规范》是讨论荷载效应的，《混凝土结构设计规范》是讨论截面承载力的。可见内力计算和配筋计算时在截面长度与厚度之比为3～4这一区段的“柱型墙肢”设计是非常复杂的，内力计算时要按短肢剪力墙考虑，配筋计算时要按框架柱考虑。而轴压比限值的控制还要实行“双控”。

2.短肢剪力墙

《高层建筑混凝土结构技术规程》规定：

7.1.8

注：1短肢剪力墙是指截面厚度不大于300mm，各肢截面高度与厚度之比的最大值大于4但不大于8的剪力墙；

《高层建筑混凝土结构技术规程》的条文说明：

7.1.8 厚度不大的剪力墙开大洞口时，会形成短肢剪力墙

对于L形、T形、十字形剪力墙，其各肢的肢长与截面厚度之比的最大值大于4且不大于8时，才划分为短肢剪力墙。对于采用刚度较大的连梁与墙肢形成的开洞剪力墙，不宜按单独墙肢判断其是否属于短肢剪力墙。

肢长与截面厚度之比的最大值大于4且不大于8时为短肢剪力墙，本章第三节将专门讲述这一内容。

3.一般剪力墙

肢长与截面厚度之比的最大值大于8时为一般剪力墙。

一般剪力墙的设计要求是：在正常使用荷载及小震（或风载）作用下，结构应处于弹性工作阶段，裂缝宽度不能过大；在中等强度地震作用下（设防烈度），允许进入弹塑性状态，但应具有足够的承载能力、延性及良好吸收地震能量的能力；在强烈地震作用（罕遇烈度）下，剪力墙不允许倒塌。此外还应保证剪力墙结构的稳定。

（三）实现延性剪力墙的基本措施

《高层建筑混凝土结构技术规程》明确提出：“剪力墙结构应具有延性。”（第7.1.2条的条文说明）。现在从下列四个方面来论述如何实现“延性剪力墙”。

1.控制墙段的高宽比

在轴向压力和水平力的作用下，实体悬臂墙破坏形态可以归纳为弯曲破坏、弯剪破坏、剪切破坏和滑移破坏四种形态（图3.2.1）。弯曲破坏又分为大偏压破坏和小偏压破坏，大偏压破坏是具有延性的破坏形态，小偏压破坏的延性很小，而剪切破坏是脆性的，矮墙经常出现剪切破坏。

图3.2.1 悬臂墙的破坏形态

a）弯曲破坏 b）弯剪破坏 c）剪切破坏 d）滑移破坏

要设计成“延性剪力墙”就是要把剪力墙的破坏形态控制在弯曲破坏和大偏压破坏范围内。细高的剪力墙（高宽比大于3）容易设计成弯曲破坏的延性剪力墙，从而可避免脆性的剪切破坏。当墙的长度很长时，为了满足每个墙段高宽比大于3的要求，可通过开设洞口将长墙分成长度较小、较均匀的联肢墙或整体墙，洞口连梁宜采用约束弯矩较小的弱连梁。弱连梁是指连梁刚度小、约束弯矩很小的连梁（其跨高比宜大于6），目的是设置了刚度和承载力比较小的连梁后，地震作用下连梁有可能先开裂、屈服，使墙段成为抗震单元。这是由于连梁对墙肢内力的影响可以忽略，才可近似认为长墙分成了以弯曲变形为主的独立墙段。

图3.2.2 长墙肢留结构洞

墙肢的平面长度（即墙肢截面高度）不宜大于8m。剪力墙结构的一个结构单元中，当有少量长度大于8m的大墙肢时，计算中楼层剪力主要由这些大墙肢承受，其他小的墙肢承受的剪力很小。一旦地震，尤其超烈度地震时，大墙肢容易首先遭受破坏，而小的墙肢又无足够配筋，使整个结构可能形成各个击破，这是极不利的。当墙肢长度超过8m时，应采用施工时墙上留洞，完工时砌填充墙的结构洞口的方法，把长墙肢分成短墙肢（图3.2.2）。

2.在基底加强部位设置塑性铰

大震时悬臂剪力墙上出现的塑性铰必然会吸收大量的地震能量，缓和地震作用。

在简化计算中悬臂剪力墙是按静定结构计算的，实际上在横向是有多余约束的，故能允许出现塑性铰，但只能出现一个塑性铰。塑性铰的位置可以通过配筋设计来加以控制。如果按设计弯矩图配筋，弯曲屈服就可能沿墙任何高度发生。为保证墙的延性，就要在整个墙高采取较严格的构造措施，这是很不经济的。所以要对塑性铰出现的位置进行控制。

在水平荷载作用下，悬臂剪力墙的弯矩和剪力最大值均在基底部位，一般情况下塑性铰通常在底部截面出现。塑性铰区局限在底部截面以上h_w高度范围内，故将这部分设置成底部加强区（图3.2.3），要使悬臂剪力墙具有延性，则要防止剪力墙出现剪切破坏和锚固破坏，充分发挥弯曲作用下的钢筋抗拉作用，使抗震墙的塑性铰具有很好的延性。在塑性铰区必须按照“强剪弱弯”的设计原则，用截面达到屈服时的剪力进行截面抗剪验算，以保证在塑性铰出现之前，墙肢不剪坏。

为避免脆性的剪切破坏，应按照“强剪弱弯”的要求设计剪力墙墙肢。《规范》采用的方法是将抗震墙底部加强部位的剪力设计值增大，以防止端底塑性铰区在弯曲破坏前发生剪切脆性破坏。采用增大的剪力设计值计算抗剪配筋可以使设计的受剪承载力大于受弯承载力，达到受弯钢筋首先屈服的目的；但是剪力墙对剪切变形比较敏感，多数情况下剪力墙底部都会出现斜裂缝，当钢筋屈服形成塑性铰区以后，还可能出现剪切滑移破坏、弯曲屈服后的剪切破坏，也可能出现剪力墙平面外的错断而破坏。因此，剪力墙要做到完全的“强剪弱弯”，除了适当提高底部加强部位的抗剪承载力外，还需要考虑本节讨论的其他加强措施。

剪力墙一般都在底部弯矩最大，底截面可能出现塑性铰，底截面钢筋屈服以后由于钢筋和混凝土的粘结力破坏钢筋屈服范围扩大而形成塑性铰区。塑性铰区也是剪力最大的部位，斜裂缝常常在这个部位出现，且分布在一定范围，反复荷载作用就形成交叉斜裂缝，可能出现剪切破坏。在塑性铰区要采取加强措施，称为剪力墙的底部加强部位。由试验可知，一般情况下，塑性铰发展高度为墙底截面以上墙肢高度h_w的范围，为安全起见，设计剪力墙时将加强部位适当扩大。

3.控制轴压比

从图3.2.4可知，随着轴向力的增大，截面承载力提高，延性明显降低。

图3.2.3 塑性铰区位于墙肢的底部加强部位

图3.2.4 剪力墙轴压比变化对M-φ的影响

4.设置边缘构件(www.xing528.com)

由图3.2.5中的情况（4）可知，当截面没有翼缘时，延性较差。当有翼缘时，会改善墙体的延性性能；随着翼缘面积与截面面积之比的增加，延性也相应增加。从图中的情况（1）与情况（2）相比较来看，片状翼缘和端柱翼缘截面相近时，延性接近。

图3.2.5 翼缘变化对M-φ的影响

（四）剪力墙底部加强部位

1.试题回顾

【试题3.2.2】 （2000年）

高层建筑剪力墙结构抗震设计中拟采取以下几种措施：

Ⅰ.增加墙体截面端部翼缘或暗柱的约束箍筋，以延缓纵向钢筋的压屈；

Ⅱ.在底部1/8墙高的塑性铰区要求抗弯强度的安全储备大于抗剪强度；

Ⅲ.加强竖向钢筋的锚固，充分发挥弯矩作用下钢筋的抗弯能力；

Ⅳ.加大水平钢筋的配筋率，以控制斜裂缝宽度。

试指出下列何项组合能够更好地提高墙体的延性？

（A）Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ （B）Ⅰ，Ⅱ，Ⅳ （C）Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ （D）Ⅰ，Ⅲ，Ⅳ

2.规程规定

相同内容的规定在三本规范中所属条文号的对照见表3.2.1。

表3.2.1 相同内容的规定在三本规范中所属条文号的对照表

《高层建筑混凝土结构技术规程》规定：

7.1.4 抗震设计时，剪力墙底部加强部位的范围，应符合下列规定：

1 底部加强部位的高度，应从地下室顶板算起；

2 底部加强部位的高度可取底部两层和墙体总高度的1/10二者的较大值，部分框支剪力墙结构底部加强部位的高度应符合本规程第10.2.2条的规定；

3 当结构计算嵌固端位于地下一层底板或以下时，底部加强部位宜延伸到计算嵌固端。

《混凝土结构设计规范》规定：

11.1.5 剪力墙底部加强部位的范围，应符合下列规定：

1 底部加强部位的高度应从地下室顶板算起。

2 部分框支剪力墙结构的剪力墙，底部加强部位的高度可取框支层加框支层以上两层的高度和落地剪力墙总高度的1/10二者的较大值。其他结构的剪力墙，房屋高度大于24m时，底部加强部位的高度可取底部两层和墙肢总高度的1/10二者的较大值；房屋高度不大于24m时，底部加强部位可取底部一层。

3 当结构计算嵌固端位于地下一层的底板或以下时，按本条第1、2款确定的底部加强部位的范围尚宜向下延伸到计算嵌固端。

《建筑抗震设计规范》规定：

6.1.10 抗震墙底部加强部位的范围，应符合下列规定：

1 底部加强部位的高度，应从地下室顶板算起。

2 部分框支抗震墙结构的抗震墙，其底部加强部位的高度，可取框支层加框支层以上两层的高度及落地抗震墙总高度的1/10二者的较大值。其他结构的抗震墙，房屋高度大于24m时，底部加强部位的高度可取底部两层和墙体总高度的1/10二者的较大值；房屋高度不大于24m时，底部加强部位可取底部一层。

3 当结构计算嵌固位于地下一层的底板或以下时，底部加强部位尚宜向下延伸到计算嵌固端。

3.设置“剪力墙底部加强部位”的原因

此问题以下三本《规范》的条文说明均有交代，现摘录于此。

《高层建筑混凝土结构技术规程》的条文说明：

7.1.4 抗震设计时，为保证剪力墙底部出现塑性铰后具有足够大的延性，应对可能出现塑性铰的部位加强抗震措施，包括提高其抗剪切破坏的能力，设置约束边缘构件等，该加强部位称为“底部加强部位”。剪力墙底部塑性铰出现都有一定范围，一般情况下单个塑性铰发展高度约为墙肢截面高度h_w，但是为安全起见，设计时加强部位范围应适当扩大。本规定统一以剪力墙总高度的1/10与两层层高二者的较大值作为加强部位。

《混凝土结构设计规范》的条文说明：

11.1.5 按本规范设置了约束边缘构件，并采取了相应构造措施的剪力墙和核心筒壁的墙肢底部，通常已具有较大的偏心受压强度储备，在罕遇水准地震地面运动下，该部位边缘构件纵筋进入屈服后变形状态的几率通常不会很大。但因墙肢底部对整体结构在罕遇地震地面运动下的抗倒塌安全性起关键作用，故设计中仍应预计到墙肢底部形成塑性铰的可能性，并对预计的塑性铰区采取保持延性和塑性耗能能力的抗震构造措施。所规定的采取抗震构造措施的范围即为“底部加强部位”，它相当于塑性铰区的高度再加一定的安全裕量。该底部加强部位高度是根据试验结果及工程经验确定的。

《建筑抗震设计规范》的条文说明：

6.1.10 延性抗震墙一般控制在其底部即计算嵌固端以上一定高度范围内屈服、出现塑性铰。设计时，将墙体底部可能出现塑性铰的高度范围作为底部加强部位，提高其受剪承载力，加强其抗震构造措施，使其具有大的弹塑性变形能力，从而提高整个结构的抗地震倒塌能力。

4.注意事项

1）“房屋高度”和“墙肢总高度”是两个不同的高度，有可能数值相同，也可能不一致。

2）以“房屋高度”24m为界、“剪力墙底部加强部位”高度的取法是不相同的。

3）当墙肢嵌固端设置在地下室顶板以下时，要注意《混凝土结构设计规范》第11.1.5条的条文说明：

当墙肢嵌固端设置在地下室顶板以下时，底部加强部位的高度仍从地下室顶板算起，但相应抗震构造措施应向下延伸到设定的嵌固端处。

4）有裙房时，要注意《建筑抗震设计规范》第6.1.10条的条文说明：

有裙房时，按本规范第6.1.3条的要求，主楼与裙房顶对应的相邻上下层需要加强。此时，加强部位的高度也可以延伸至裙房以上一层。

5.算例

【例3.2.1】 底部加强部位的高度

条件：某现浇混凝土一般剪力墙结构，丙类建筑，位于7度地震区，房屋总高度为84m，底层高6.0m，标准层层高3.2m。

要求：底部加强部位的高度。

答案：根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第7.1.4条规定，底部加强部位的高度为

H=max[84/10，（6.0+3.2）]=max（8.4，9.2）=9.2m