剪力墻在建筑結構的分析與應用論文

　　1高層建筑常見的結構體系特點

　　我國對高層建筑定義:“十層及十層以上的住宅建筑為高層建筑，除住宅建筑之外的民用建筑高度大于24m者為高層建筑(不包括建筑高度大于24m的單層公共建筑)［1］。”高層建筑常見的結構體系有框架體系、剪力墻體系、框架-剪力墻體系以及筒體體系，前三類結構體系的特點如下。

　　1.1框架體系

　　框架體系由梁和柱組成框架共同抵抗使用過程中出現的水平荷載和豎向荷載，具有較高的承載能力和較好的整體性;其平面布置靈活、可形成較大的空間，但在水平荷載作用下表現出抗側移剛度小，水平位移大的特點。框架體系的適用高度在地震區(qū)為6～15層，在非地震區(qū)為15～20層［2］。

　　1.2剪力墻體系

　　利用建筑物的墻體作為豎向承重和抵抗側力的體系稱為剪力墻體系，其實質上是固結于基礎的鋼筋混凝土墻片，具有很高的抗側移能力。一般情況下，剪力墻體系樓蓋內不設梁，樓板直接支承在墻上，墻體既起承重作用，又起圍護和分隔作用。剪力墻體系抗側力剛度大，整體性好，整齊美觀，抗震性能好，但由于其橫墻較多、間距較密，使得建筑平面的空間布置靈活性較差［3］。剪力墻體系常用于住宅、旅館等開間要求較小的高層建筑，其適用高度為15～50層［2］。

　　1.3框架—剪力墻體系

　　在框架體系的適當部位增設一定數量的剪力墻，形成的框架和剪力墻結合在一起共同承受豎向和水平荷載的體系稱為框架-剪力墻體系，其側向剛度比框架體系大，大部分水平荷載由剪力墻承擔，而豎向荷載主要由框架承擔，因而用于高層房屋比框架體系更為合理;同時由于其部分位置設置有剪力墻，保持了框架體系易于分割空間、立面易于變化等優(yōu)點［4］;此外，其抗震性能也較好�？蚣堋�剪力墻體系常用于多層及高層辦公樓、旅館等建筑，其適用高度為15～25層，一般不宜超過30層［2］。

　　2計算機模擬建筑模型

　　計算機模擬建筑模型的建模參數如下:該建筑為單過道式輕質隔音隔墻辦公大樓，不考慮剪力墻開洞以及隔墻的自重作用，永久荷載標準值取3.5kN/m2，可變荷載標準值按照《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009—2012)取為取2.0kN/m2。結構抗震等級為一級，場地類別為Ⅱ類，抗震設防烈度為7度第二組，設計基本地震加速度值為0.10g。縱向軸網間距5m×10，橫向軸網間距5m+2.5m+5m，層高3m。框架體系中，柱截面尺寸500mm×500mm，梁截面尺寸分別為300mm×550mm，250mm×500mm;剪力墻體系中，剪力墻沿著軸網橫向布置，厚度500mm，連梁截面尺寸分別為300mm×550mm，250mm×500mm;板厚120mm。按照《混凝土結構設計規(guī)范》(GB50010—2010)規(guī)定，框架柱、框架梁、剪力墻和連梁的混凝土強度等級C40，現澆樓板的混凝土強度等級C30;框架柱、框架梁、剪力墻和連梁、樓板的縱向受力鋼筋均采用HＲB400級，箍筋均采用HPB300級。模型實體如下圖所示(注:10層框架結構為模型1，10層剪力墻結構為模型2，20層框架結構為模型3，20層剪力墻結構為模型4)。

　　3模型計算分析結果

　　3.1位移分析

　　從計算結果中可以看出，所有模型的層間位移角都滿足《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011—2010)中表5.5.1對鋼筋混凝土框架(θ≤［θe］=1/500)和抗震墻(θ≤［θe］=1/1000)中結構彈性層間位移角的規(guī)定［5］。在結構受力概念中可以假設剪力墻結構的側墻為若干個框架柱連接組合而成，由于圖1各樓層模型圖剪力墻的側向截面慣性矩比框架結構較大，相對剪力墻結構而言，框架結構可看成柔性結構，所以剪力墻的抗側剛度要比框架結構較大，其每層的層間最大位移、層間最大位移角比框架結構較小。從表中的最大位移和最大位移角還可以看出，所有模型的頂層都隨著地震作用而發(fā)生“鞭梢效應”，即在地震作用下，高層建筑或其他建(構)筑物頂部細長突出部分振幅劇烈增大的現象［6］。在模型1和模型2中，雖然樓層剪力和樓層彎矩隨著樓層增加而不斷減小，但是樓層最大位移隨著樓層的增加而不斷增大，模型2的樓層最大位移比模型1的增大幅度較小;樓層的最大位移角是反映結構樓層在水平地震作用下的重要技術性能參數，各層的最大位移角有增大、也有減小，但是模型2的樓層最大位移角變化幅度不大，幾乎都在1/9000。上述分析結果表明剪力墻結構在地震作用下，其頂部發(fā)生“鞭梢效應”現象比框架結構較小。另外，從模型3和模型4的最大位移和最大位移角中可以看出，雖然模型3的頂部發(fā)生“鞭梢效應”的現象比模型4較小，但是縱向比較模型2和模型4可以得出，同一種建筑結構隨著樓層的增大，其發(fā)生“鞭梢效應”現象更為明顯。

　　3.2受力分析

　　從計算結果中還可以看出，由于建筑結構的底層直接與基礎相連，永久荷載和可變荷載從上而下傳遞到基礎，基礎直接受到地基的地震作用，所以底層的剪力和彎矩是最大的，結構的頂部雖然水平位移最大(可看成是外部靜定，內部超靜定的懸臂結構)，但是頂部受到垂直傳遞的荷載以及地震作用的影響最小，所以其樓層剪力和彎矩隨著樓層增大而減小。橫向比較模型1和模型2、模型3和模型4，由于剪力墻結構所分配的剛度和質量比框架結構大，導致其每層的地震慣性力比框架結構大，從而其每層的樓層剪力、樓層彎矩比框架結構大。

　　3.3綜合分析

　　根據以上位移和受力分析，可以得出隨著樓層層數增大，剪力墻體系所發(fā)揮出來的抗側向水平地震作用的優(yōu)越性越來越明顯。此外，上述模型都是沿著建筑結構的側向布置剪力墻，但是實際設計中，必須考慮結構的抗縱向水平地震作用。相同截面尺寸，數量框架結構的縱向、側向剛度可以看成相同，但是由于剪力墻截面在x和y方向的慣性矩差異很大，導致其不同方向的抗震剛度也差別很大，所以在剪力墻結構中，除了在建筑結構的側向布置剪力墻外，還需在其縱向布置剪力墻，以提高結構的綜合承載能力、抗震性能和剛度。

　　4結束語

　　所有高層建筑結構設計為剪力墻結構并不一定合理，雖然剪力墻結構的抗側向水平地震能力很高，但是其混凝土方量、單位體積的鋼筋重量比相同高度的框架結構大得多，剪力墻結構施工也需采用滑模等特殊的施工工藝;在實際設計中還需考慮到剪力墻的端柱、暗柱、連梁等構造措施，這也比框架結構的設計、施工復雜。此外，剪力墻結構的基礎通常為筏板基礎，大體積混凝土施工中必須考慮后澆止水帶、溫差應力和溫度裂縫等。在高層建筑結構設計中，應對其建筑結構層數、建筑抗震設防類別、房屋所處位置、工程造價、施工工藝、施工難易程度、施工工期等進行綜合分析和研究。

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