剪力墙结构的分析和设计 邵 弘

1。短肢剪力墙结构的控制和设计 2。剪力墙边缘构件设计及配筋控制

1。短肢剪力墙结构的控制和设计 1.1。短肢剪力墙的特点及其与异形柱的区别 1.2。短肢剪力墙结构的界定方法 1.3。短肢剪力墙结构的设计 1.4。短肢剪力墙结构与转换层结构的混合设计讨论

1.1。短肢剪力墙的特点及其与异形柱的区别 对于12～16层的小高层建筑结构，采用既可以保证结构的刚度、位移，又可以使室内空间方正合理。所以短肢剪力墙结构得以普遍应用。 短肢剪力墙的受力、变形特征，类似以框剪结构。但比框架结构的刚度分配、内力分配更合理，结构的变形协调导致的竖向位移差别，也比框剪结构小，则传基础荷载更均匀、合理。

短肢墙与异形柱的区别 截面尺寸： 柱：H/B < 3；（单肢） 异形柱：H/B < 5；（一般柱肢数≤两肢） 短肢剪力墙：5 < H/B < 8； （墙肢数≤两肢） 剪力墙：H/B > 8。（不限） 当有大于两肢的短肢墙或异形柱时，尽管各肢的长宽比符合要求，也宜按墙输入、设计。

1.2。短肢剪力墙结构的界定方法 规程相关规定：高规第7.1.2条规定了高层建筑结构不应采用全部短肢剪力墙的剪力墙结构。短肢剪力墙较多时，应布置筒体（或一般剪力墙），形成短肢剪力墙与筒体（或一般剪力墙）共同抵抗水平力的剪力墙结构，并且应符合一系列规定。第7.1.3条规定了B级高度高层建筑和9度抗震设计的A级高度高层建筑，不应采用第7.1.2条规定的具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构。

短肢剪力墙结构的定义：（1）短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5～8的剪力墙；（2）高层建筑结构不应采用全部短肢剪力墙的剪力墙结构；（3）短肢剪力墙较多时，应布置筒体（或一般剪力墙），形成短肢剪力墙与筒体（或一般剪力墙）共同抵抗水平力的剪力墙结构。 短肢剪力墙结构的必要条件：抗震设计时，短肢墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不大于结构总底部地震倾覆力矩的 50%。 短肢剪力墙结构的下限：当短肢墙较少时，如短肢墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩小于结构总底部地震倾覆力矩的 15%～ 40%，则可以按普通剪力墙结构设计。下限规范没有规定，用户可以灵活掌握。

短肢剪力墙结构的应用范围 B级高度高层建筑和 9度抗震设计的 A级高度高层建筑，即使置筒体，也不能采用。 其最大适用高度比高规表4.2.2-1中剪力墙结构的规定值适当降低，且7度和8度抗震设计时分别不应大于100m和60m。 如果在剪力墙结构中，只有个别小墙肢，不应看成短肢剪力墙结构而应作为一般剪力墙结构处理。

短肢剪力墙结构，其首先应是全剪力墙结构。 短肢剪力墙结构中，应有足够的长肢剪力墙。 如果把短肢墙看成异形柱，则短肢剪力墙结构可以认为呈框剪结构的变形特征。 当结构形式符合短肢剪力墙结构形式后，才能在软件“总信息”参数的结构体系中，定义结构为“短肢剪力墙结构”。 当采用壳元模型时，应加细单元的划分。 短肢剪力墙结构有时用薄壁杆元（TAT）可能更合适。因短肢墙的模型更符合薄壁杆元模型，采用壳元则有单元划分不细的问题。

短肢剪力墙结构的变形特征 框剪或短肢剪力墙结构 的楼层位移曲线 框架或短肢墙的楼层位移曲线 剪力墙的楼层位移曲线

都是短肢墙不一定属于短肢剪力墙结构

典型的短肢剪力墙结构——中间有核心筒

底部倾覆弯矩不满足规范——大于50%

1.3。短肢剪力墙结构的设计 短肢墙与异形柱的设计区别： 异形柱：轴压比（按框架柱）、刚度（梁考虑刚域）、配筋（双偏压）、构造（按异形柱规程）。 短肢墙：轴压比（按剪力墙）、刚度（墙输入、采用壳元或薄壁杆元）、配筋（按剪力墙）、构造（按高规的短肢墙构造）。

超短肢墙的处理 弱短肢剪力墙（截面高厚之比小于5的墙肢）：高规7.2.5条文规定了不宜采用墙肢截面高度与厚度之比小于为5的剪力墙；当其小于5时，其在重力荷载代表值作用下产生的轴力设计值的轴压比，抗震等级为一级（9度）、一级（7、8度）、二级、三级时分别不宜大于0.3、0.4、0.5和0.6。 短墙（截面高度之比不大于3的墙肢） ：高规7.2.5条文和抗震规范6.4.9条文规定剪力墙的截面高度与厚度之比不大于3时，应按柱的要求进行设计，底部加强部位纵向钢筋的配筋率不应小于1.2%，其它部位不应小于1.0%，箍筋应沿全高加密。

总结——短肢剪力墙结构的抗震加强 抗震设计时，短肢剪力墙的抗震等级应比高规4.8.2规定的剪力墙的抗震等级提高一级采用。 抗震设计时，各层短肢剪力墙在重力荷载代表值作用下产生的轴力设计值的轴压比，抗震等级为一、二、三时分别不宜大于0.5、0.6和0.7；对于无翼缘或端柱的一字形短肢剪力墙，其轴压比限值相应降低0.1。 抗震设计时，除底部加强部位应按高规7.2.10条调整剪力设计值外，其它各层短肢剪力墙的剪力设计值，一、二级抗震等级应分别乘以增大系数1.4和1.2。 抗震设计时，短肢剪力墙截面的全部纵向钢筋的配筋率，底部加强部位不宜小于1.2%，其它部位不宜小于1.0%。

短肢剪力墙截面厚度不应小于200mm。 7度和8度抗震设计时，短肢剪力墙宜设置翼缘。一字形短肢剪力墙平面外不宜布置与之单侧相交的楼面梁。 高规7.2.1条文规定了带有筒体和短肢剪力墙的剪力墙结构的混凝土强度等级不应低于C25。

21层短肢墙结构

短肢墙所占倾覆弯矩的比例

1.4。短肢剪力墙结构与转换层结构的混合设计讨论 混合的结构类型，给设计来混淆，虽然不提倡，但是实际工程确实不时遇到。典型案例：下部是转换层结构，上部是短肢剪力墙结构。 该结构类型的判断基于以下方面： 1。短肢墙被下部托梁抬起，上下不连续，结构整体变形特征不符合短肢剪力墙（框剪）结构的形式。 2。控制短肢剪力墙结构的倾覆弯矩失去依据，因为要求短肢墙上下连续，且下部短肢墙所占倾覆弯矩小于50%，此时所要求的“下部”已经失去。

3。在加强区，“复杂高层结构”的设计要比“短肢剪力墙”结构严得多。结构的薄弱部位也是在底部转换层区，所以这类结构应该按“复杂高层结构”来设计。 4。转换层上部剪力墙应按框支剪力墙结构的要求，设置加强钢筋。 5。对于非加强区部位的短肢墙设计，可以参考“短肢剪力墙结构”的要求，适当加强构造。当然，也可以按短肢剪力墙结构设计的要求设计。

21层底部框支上部短肢墙结构——按复杂高层设计

短肢墙平面

加强区配筋简图

非加强区配筋简图 按复杂高层设计配筋小些

上部非加强区配筋简图——按短肢墙设计 按短肢墙设计配筋大些

总结 下部转换层上部短肢剪力墙结构，其加强区应按框支剪力墙结构的要求设计。 非加强区没有特殊要求也可以按复杂高层设计，有特殊要求，可以按短肢剪力墙结构设计加强。 结构的位移控制、转换层强制薄弱层、转换梁、框支柱、配筋构造等等，均应按“复杂高层结构”控制、设计。

2。剪力墙边缘构件设计及配筋控制 2.1。剪力墙边缘构件的设置要求 2.2。剪力墙配筋存在的问题 2.3。剪力墙边缘构件的设计

2.1。剪力墙边缘构件的设置要求 高规的7.2.15条规定：抗震设计时，一、二级剪力墙结构底部加强部位及以上一层的墙肢设置约束边缘构件，一、二级剪力墙的其它部位以及三、四级和非抗震设计的剪力墙墙肢均应设置构造边缘构件。 对于这两类边缘构件，程序都可以通过自动搜索确定。边缘构件的一些特征尺寸、主筋面积、箍筋面积或者配箍率，用户都可以在边缘构件简图中看到。

约束边缘构件的规范的要求

边缘构件的配筋 新规范程序对于剪力墙配筋结果的表示提供两张图，一张是配筋简图中对于各个直线剪力墙段的配筋结果，另一张是边缘构件配筋结果。值得注意的是：直线剪力墙段的暗柱主筋给出的是计算值，如果计算值小于零则取零，并不考虑构造要求；而边缘构件简图中的配筋结果则同时考虑了钢筋计算值和构造值，也即二者当中取大。简言之，剪力墙的配筋结果以边缘构件简图为准，直线剪力墙段的配筋图仅供校核之用。

按单肢墙配筋的剪力墙配筋简图

形成边缘构件的配筋

2.2。剪力墙配筋存在的问题 由于一般采取直线段配筋模式，所以产生以下问题: 对超长直线段墙，采用平截面假定配筋，截面刚度估计偏大，配筋偏小。尤其是地下室外墙的配筋问题。而把长墙分段配筋也是没有依据的。 对有面外墙相连的直线段墙，没有考虑面外墙的翼缘作用，如果考虑翼缘作用，则配筋将减少。 对弧墙的配筋，目前没有好的办法。 当有边框柱与墙相连时，没有考虑边框柱与墙的共同工作，使得边框柱和与之相连的剪力墙配筋都偏大。

边缘构件配筋存在的问题 L形边缘构件的配筋，是两个墙肢配筋的叠加，这样L形边缘构件的配筋将偏大。 带边框柱的边缘构件配筋，是柱配筋与墙配筋的叠加，则这样的边缘构件配筋也偏大。 弧墙的边缘构件配筋，有时生成得不对，要注意察看、复核。 超长墙产生的边缘构件，由于受到配筋合理性的影响，也需要复核。 对于多肢斜交墙肢的端部，是多个墙肢配筋的叠加，造成这个边缘构件配筋很大，须注意。

超长墙的配筋

超长墙分段配筋

L形边缘构件的配筋

弧墙的配筋

多肢斜交边缘构件的配筋

边框柱的配筋

由此产生的边缘构件的配筋

2.3。剪力墙边缘构件的设计 加强区约束边缘构件——剪力墙加强区及约束边缘构件的确定： 加强区按要求取1/8～1/10的结构总高度，并不小于2层。 在加强区及以上一层为约束边缘构件。 加强区的设计调整系数与非加强区不同。 地下室程序自动认为是加强区，也可用人工指定加强区的起算层号的手段来指定地下室为非加强区。 有地下室时，程序自动扣除地下室的高度计算加强区。

边缘构件设计注意事项 当两个边缘构件靠的很近时，程序会自动考虑合并。 边框柱作为剪力墙的一部分与墙共同工作，边框柱按柱配筋作为参考。 边缘构件的配筋，尤其是L形端部，按分段直线段配筋有时过大，可以考虑钢筋的共用，如考虑翼缘的作用，两个方向的配筋可以取大值，至少可以减去中间部分的钢筋面积。 边缘构件中的箍筋按构造要求配置，尤其是一、二级抗震等级的边缘构件。

剪力墙加强区起算层号

加强区层数，下部要扣除“起算层号”

单肢墙的轴压比

L形边缘构件的配筋可以适当减少

带边框柱的边缘构件的配筋可以减少

多肢斜交边缘构件的配筋可以减少

三、剪力墙的刚度和地震作用 为什么剪力墙结构配筋容易超限？ 剪力墙结构的特点是：刚度大、地震作用大，墙的长度变化较大，造成刚度不均匀性较大，地震力容易集中，造成局部设计超限。且不容易调整。 要调整、改善剪力墙结构的设计，主要从调整刚度入手。如果地震作用很大，则再增加截面和材料强度也是收效甚微的。 短一些的墙肢、或墙肢长度均匀，可以部分弥补这些缺点。而采用短肢剪力墙结构，由于肢长太短，又带来新的问题。

墙肢配筋超限

墙梁配筋超限

地震内力起主要作用

地震内力起主要作用

如何调整剪力墙的刚度？ 当结构布置造成刚度过大，地震作用太大时，减弱剪力墙的刚度是一个很有效的方法之一。 刚度下降，地震作用减少，则构件设计可以通过。 减少刚度的方法可以用开大洞、去掉一些内墙的方法。 刚度减小会不会位移不够？ 刚度、地震力、位移是三个相互耦合的分析结果。但主要看刚度和地震力准跑的快，准就占主导地位。当刚度下降的过快，则位移就有可能不够。 结构分析的反复调整，就是对刚度、地震力、位移的不断调整，以达到一个理想的结果。

连梁应采用怎样的计算模型？对结构刚度有什么影响？ 由墙开洞产生的连梁，对结构的整体刚度影响是很大的。不同的连梁刚度模型（壳元、杆元），计算结果会产生较大的差异。 即使采用同一种模型，如壳元，单元划分的不同，差异也会较大。 连梁刚度变化，对整体结构影响较大，它是整体结构的刚度调节器。 两端剪力墙中的连梁，起到传递水平剪力的作用，所以当两端剪力墙刚度很大（墙很长）时，墙吸收很大的地震力，则连梁往往抗剪超限。

连梁与墙的协调节点 框架梁与墙的协调节点 连梁壳单元划分 连梁杆单元模型 连梁不同的分析模型

连梁与墙的协调节点 框架梁与墙的协调节点 连梁的单元划分方式1 连梁的单元划分方式2 连梁不同的单元划分

超限连梁两端剪力墙较长

不同的剪力墙分析模型有什么区别？ 目前常用的剪力墙分析模型，主要有壳元、薄壁杆元两种。 由于有多种（几十种）壳元模型，根据不同的协调条件，可以产生不同的壳元模型，只要单元划分一致，在弹性小变形下的计算结果基本一致。 复杂的剪力墙结构应采用壳元模型。 只有比较简单的，墙肢较短的、洞口上下对齐的剪力墙结构可以采用薄壁杆元模型。 对于有大量短肢剪力墙的结构，采用壳元模型时，单元划分应加细，否则容易产生较大的误差。

对于复杂高层结构也要使用两种不同的计算模型进行分析 广义协调位移函数曲线 SATWE上下墙节点要求协调 PMSAP上下墙可以采用附加位移函数作为约束条件的广义协调