剪力墻設(shè)計問題的探討
一.剪力墻設(shè)計中的基本概念 1．剪力墻高和寬尺寸較大但厚度較小，幾何特征像板，受力形態(tài)接近于柱，而與柱的區(qū)別主要是其長度與厚度的比值，當(dāng)比值小于或等于4時可按柱設(shè)計，當(dāng)墻肢長與肢寬之比略大于4或略小于4時可視為為異形柱，按雙向受壓構(gòu)件設(shè)計。 2．剪力墻結(jié)構(gòu)中，墻是一平面構(gòu)件，它承受沿其平面作用的水平剪力和彎矩外，還承擔(dān)豎向壓力；在軸力，彎矩，剪力的復(fù)合狀態(tài)下工作，其受水平力作用下似一底部嵌固于基礎(chǔ)上的懸臂深梁。在地震作用或風(fēng)載下剪力墻除需滿足剛度強(qiáng)度要求外，還必須滿足非彈性變形反復(fù)循環(huán)下的延性、能量耗散和控制結(jié)構(gòu)裂而不倒的要求：墻肢必須能防止墻體發(fā)生脆性剪切破壞，因此注意盡量將剪力墻設(shè)計成延性彎曲型。 3．實際工程中剪力墻分為整體墻和聯(lián)肢墻：整體墻如一般房屋端的山墻、魚骨式結(jié)構(gòu)片墻及小開洞墻。整體墻受力如同豎向懸臂，當(dāng)剪力墻墻肢較長時，在力作用下法向應(yīng)力呈線性分布，破壞形態(tài)似偏心受壓柱，配筋應(yīng)盡量將豎向鋼筋布置在墻肢兩端；為防止剪切破壞，提高延性應(yīng)將底部截面的組合設(shè)計內(nèi)力適當(dāng)提高或加大配筋率；為避免斜壓破壞墻肢不能過小也不宜過長，以防止截面應(yīng)力相差過大。 聯(lián)肢墻是由連梁連接起來的剪力墻，但因一般連梁的剛度比墻肢剛度小得多，墻肢單獨作用顯著，連梁中部出現(xiàn)反彎點要注意墻肢軸壓比限值。 壁式框架：當(dāng)剪力墻開洞過大時形成寬梁、寬柱組成的短墻肢，構(gòu)件形成兩端帶有剛域的變截面桿件，在內(nèi)力作用下許多墻肢將出現(xiàn)反彎點，墻已類似框架的受力特點，因此計算和構(gòu)造應(yīng)按近似框架結(jié)構(gòu)考慮。 綜上所述，設(shè)計剪力墻時，應(yīng)根據(jù)各型墻體的特點，不同的受力特征，墻體內(nèi)力分布狀態(tài)并結(jié)合其破壞形態(tài)，合理地考慮設(shè)計配筋和構(gòu)造措施。 4．墻的設(shè)計計算是考慮水平和豎向作用下進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析，求得內(nèi)力后按偏壓或偏拉進(jìn) 行正截面承載力和斜截面受剪承載力驗算。當(dāng)受較大集中荷載作用時再增加對局部受壓承載力驗算。在剪力墻承載力計算中，對帶翼墻的計算寬度按以下情況取其小值：即①剪力墻之間的間距；②門窗洞口之間的翼緣寬度；③墻肢總高度的1/10；④剪力墻厚度加兩側(cè)翼墻厚度各6倍的長度。 5．為了保證墻體的穩(wěn)定性及便于施工，使墻有較好的承載力和地震作用下耗散能力，規(guī)范要求一、二級抗震墻時墻的厚度應(yīng)≥160mm，底部加強(qiáng)區(qū)宜≥200mm，三、四級抗震等級時應(yīng)≥140mm，豎向鋼筋應(yīng)盡量配置于約束邊緣。 以上所述的剪力墻設(shè)計中的概念問題可能絕大部分設(shè)計人員都懂，但實際應(yīng)用到工程設(shè)計中，施工圖紙表 達(dá)出來的東西有時則存在很大差別，追究原因，許多是與具體的構(gòu)造處理有關(guān)，因此造成墻
的截面和配筋差別大不合理。 二.剪力墻的邊緣構(gòu)造 1．結(jié)構(gòu)試驗表明矩形截面剪力墻的延性比工字形或槽形截面剪力墻差；計算分析表明增加墻肢截面兩端的翼緣能顯著提高墻的延性；因此在矩形墻兩端設(shè)約束邊緣構(gòu)件不但能較顯著地提高墻體的延性，還能防止剪力墻發(fā)生水平剪切滑動提高抗剪能力。從89規(guī)范開始在剪力墻中提出了暗柱、端柱、翼墻（柱）、轉(zhuǎn)角墻（柱），也就是目前規(guī)范中的約束邊緣構(gòu)件或構(gòu)造邊緣構(gòu)件的抗震措施。 2．對規(guī)范的不同理解往往產(chǎn)生了五花八門的設(shè)計。有人將每一軸線的墻理解為一片墻僅在端墻設(shè)暗柱，有人將凡是拐角或洞口邊都設(shè)暗柱，而即使是公開發(fā)表出版的權(quán)威參考書或設(shè)計手冊對暗柱（翼墻柱）的截面取值也出現(xiàn)了以下三種不同尺寸，因此造成配筋的差別很大，甚至相同的資料由于出版的時間不同，對規(guī)范的理解也有所不同。 3．從2002年開始實施的建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范，根據(jù)結(jié)構(gòu)類型及受力狀況，對剪力墻兩端及洞口兩側(cè)的加強(qiáng)邊緣，按墻肢在重力荷載代表值作用下墻肢軸壓比的界線及加強(qiáng)部位要求分為約束邊緣構(gòu)件和構(gòu)造邊緣構(gòu)件兩類。 “抗規(guī)”GB50011-2001規(guī)定抗震墻結(jié)構(gòu)、部分框支抗震墻中落地剪力墻當(dāng)一、二級抗震時底部加強(qiáng)部位及相鄰的上一層均應(yīng)按要求設(shè)置約束邊緣構(gòu)件；但對于一般抗震墻結(jié)構(gòu)（除部分框支墻外）當(dāng)滿足墻肢軸壓比限值界線值時可按規(guī)定設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件。“抗規(guī)”未明確框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻需設(shè)置約束邊緣構(gòu)件時抗震墻的抗震等級和軸壓比界限值；但根據(jù)混凝土規(guī)范11.7.14條筆者理解框架-剪力墻不受一、二抗震等級限制，凡底部加強(qiáng)區(qū)及其上一層當(dāng)不滿足軸壓比限界時則均應(yīng)設(shè)約束邊緣構(gòu)件。綜合分析“抗規(guī)”、“砼規(guī)”和“高規(guī)”設(shè)計約束邊緣構(gòu)件時，框剪結(jié)構(gòu)、框支結(jié)構(gòu)
三．剪力墻結(jié)構(gòu)的厚度和配筋問題 1． 根據(jù)抗震規(guī)范6.1.2條規(guī)定，8度地震區(qū)剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震等級至少應(yīng)為二級；按6.4.1條要求剪力墻底部加強(qiáng)部位墻厚一、二級抗震等級時不宜小于200mm，且不小于層高的1/16，其他部位不小于160mm，當(dāng)墻端頭無翼墻或暗柱時不應(yīng)小于層高的1/12。以上規(guī)定目的是為防止因墻體平面外剛度過小，穩(wěn)定性差，容易在偏心荷載作用下壓屈失穩(wěn)，但這些規(guī)定對于八度地震區(qū)的多層及低高層剪力墻結(jié)構(gòu)顯得不夠合理。例如5~15層的剪力墻結(jié)構(gòu)，一般墻肢在重力荷載代表值作用下軸壓比都小于0.2，電算結(jié)果墻體往往只需要構(gòu)造配筋，但只因底部功能要求3.9m層高，墻厚就得240mm,若業(yè)主要求室內(nèi)視野開闊，不設(shè)外縱墻，橫墻朝外端頭不允許帶翼墻或端柱時，當(dāng)層高3>5~4.2m時，則墻厚需要320~350mm,顯然不合理。所以像這樣的特殊情況的低多層建筑不應(yīng)要求死扣規(guī)范，而通過采用概念設(shè)計分析，控制墻肢軸壓比，進(jìn)行墻體截面條件、強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗算并在構(gòu)造上適當(dāng)加強(qiáng)暗柱或配筋，保證其整體性連接等措施，是可以使墻厚減小的。 2． 墻體的配筋率，目前在“砼規(guī)”11.7.11條文強(qiáng)制規(guī)定在一、二、三級抗震等級的
剪力墻中，豎向和水平分布筋的最小配筋率均不應(yīng)小于0.25%;部分框支剪力墻底部加強(qiáng)部位的配筋率不應(yīng)小于0.3%;這配筋率比其在80年代前的配筋率).07~0.1%要大多了，和國外的配筋率0.1~0.25%的高者基本接軌，這在高層或者較長的剪力墻結(jié)構(gòu)中應(yīng)該是合理的，但對于低矮、短小的剪力墻值得探討。 墻的水平分布筋是為橫向抗剪以防止墻體在斜裂縫出現(xiàn)后發(fā)生脆性剪切破壞，同時起到抵抗溫度應(yīng)力防止砼出現(xiàn)裂縫，設(shè)計中當(dāng)建筑物較高較長或框剪結(jié)構(gòu)時配筋宜適當(dāng)增加，特別在連梁部位或溫度、剛度變化等敏感部位宜適當(dāng)增加。但對于矮、短的房屋，其水平筋的配筋率是否適當(dāng)減小值得探討。 墻的豎向鋼筋主要起抗彎作用，目前在一些多層低高層剪力墻中電算結(jié)果多為構(gòu)造配筋；但配筋時所取的配筋率有人往往扣除了約束邊緣構(gòu)件或構(gòu)造邊緣構(gòu)件中的鋼筋，筆者認(rèn)為豎向最小配筋率應(yīng)該包括邊緣構(gòu)件中的鋼筋，墻肢的豎向配筋原則也應(yīng)該盡量將鋼筋布置在墻端部邊緣區(qū)并保證鋼筋間距≦300mm，也應(yīng)該注意防止豎筋過多使墻的抗彎強(qiáng)度大于抗剪強(qiáng)度，對抗震不利。 四．剪力墻結(jié)構(gòu)的超長問題 1. 混凝土規(guī)范9.1.1條規(guī)定現(xiàn)澆混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的溫度伸縮縫最大間距當(dāng)在室內(nèi)或土中時為45m，露天時為30m;而現(xiàn)澆框架剪力墻或框架核心筒結(jié)構(gòu)的伸縮縫間距可取45~55m.規(guī)范的這一規(guī)定顯然與現(xiàn)今建筑的體量越 來越大但功能又要求不設(shè)縫發(fā)生矛盾；因此目前許多工程中的伸縮縫間距都突破了規(guī)范的規(guī)定，也造成了設(shè)計人員在設(shè)計中遇到超長結(jié)構(gòu)時的膽量越來越大。筆者認(rèn)為今后當(dāng)剪力墻結(jié)構(gòu)超長時，應(yīng)該慎重處理為好，過長時應(yīng)該盡量設(shè)置溫度伸縮縫，宜較嚴(yán)格遵守規(guī)范規(guī)定的限值，理由如下： ①． 剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大，受溫差影響大，混凝土的收縮、徐變產(chǎn)生的變形大，墻體對樓面、屋面產(chǎn)生的約束也大；當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生收縮變形時比其他結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)裂縫。一些未超長的剪力墻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生墻體或樓面裂縫，其主要原因就在此。 ②． 剪力墻結(jié)構(gòu)多用于商品住房和公寓，使用狀況復(fù)雜，一旦私人購買的房子出現(xiàn)裂縫，雖然沒有安全問題，但處理起來問題多，難度大，社會影響大。 ③． 混凝土結(jié)構(gòu)受溫度或收縮徐變的影響與眾多因素有關(guān)；而體型龐大的剪力墻房屋往往形狀復(fù)雜，混凝土收縮大，約束應(yīng)力積聚也大，施工工藝及管理也難控制，環(huán)境影響使用變化難于判斷，因此更難于解決混凝土收縮變形時，在受約束條件下引起拉應(yīng)力而保證不出現(xiàn)裂縫。 ④． 目前混凝土的收縮量不斷增大，已由80年代的一般收縮量300με上升到400με以上，因此使混凝土用量大的剪力墻產(chǎn)生裂縫的因素在增大。 ⑤． 目前隨著市場形勢的變化，大部分工程要趕工加班，質(zhì)量難保證，為趕工混凝土中水泥用量普遍增大，使混凝土收縮量增大，加上由于混凝土強(qiáng)度的提高，使彈性模量增加
將引起更大的約束拉應(yīng)力產(chǎn)生，使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的因素增多。 ⑥． 普遍使用商品混凝土泵送施工，為了泵送，增大水泥用量，減少了中粗骨料含量和骨料粒徑，加上泵送混凝土配合比和施工送料時的不良因素影響等都加大了結(jié)構(gòu)收縮量，增加產(chǎn)生裂縫的因素。 綜上所述，今后在處理超長結(jié)構(gòu)時，特別是處理超長的剪力墻結(jié)構(gòu)時要特別慎重；當(dāng)發(fā)生實在由于建筑使用功能要求不允許超長建筑設(shè)永久縫時，建議采用對結(jié)