住宅设计中钢筋混凝土剪力墙结构的应用

住宅设计中钢筋混凝土剪力墙结构的应用

摘要：安全、经济、适用是建筑工程设计的三大要素。住宅作为工程建设中的一个重要分支，对这三大要素有着特殊要求。本文将结合钢筋混凝土剪力墙结构设计中的若干要点问题，对住宅结构如何实现安全性与经济性进行了探讨，提出了一些实用建议，为相关结构设计和优化提供参考。

关键词：高层钢筋混凝土住宅；墙元划分；异形板；结构用钢量

1 引言

为了节约用地、实现土地有效利用，同时保证结构具有更好的抗震安全性能，过去的多层砌体住宅逐步被多高层钢筋混凝土住宅所取代，其中具有良好安全性和适用性的钢筋混凝土剪力墙结构成为住宅设计中广为采用的结构形式。住宅建设属于安居工程，与人民生命财产安全息息相关，安全性要求不言而喻；同时随着改革开放以来住宅建设的商品化进程不断深入，以及节约资源、打造集约型社会的经济发展方向的制定，实现经济性成为住宅建设的重要课题；而住宅设计是否方便适用则直接影响项目的市场销售情况进而影响未来房屋使用者的居住质量。因此如何在保证安全的前提下，尽可能的满足住宅的经济、适用性，成为住宅结构设计的核心问题。当前住宅建筑的发展对住宅结构设计提出了更多要求。

2 剪力墙结构设计中的安全性问题及解决建议

2.1 墙元划分

剪力墙结构本身通常具有结构刚度大、变形小、整体性好的特点，表面上来看剪力墙结构的安全储备高、设计简单，但由于剪力墙结构的整体计算中通常需要对墙体进行有限单元的划分，工程实算表明不同的墙单元划分结果对墙肢与连梁计算精度影响较大，当单元划分出现狭长、尖角等极不规则形状时，局部计算结果会有较大失真，尤其当该部位处于整个受力体系的重要传力部位时，局部单元划分不合理则可能造成整个计算结果误差较大甚至失真。理论分析和工程实算经验表明，对剪力墙划分单元时，应尽量使单元形状规则，节点上、下对齐。以下针对建模过程中出现的常见问题给出一些建议。

1)墙体开洞处(门窗洞口或结构洞等)周边墙肢、连梁的网格划分过于粗糙时会出现较大计算误差，划分网格时可把程序默认的网格边长尺寸适当调整(如减小到lm左右)，根据连梁、墙肢的形状、大小进行划分，使形成的单元网格尽量规则。例如根据连梁的形状和计算精度要求，可将连梁处单元划分为图l所示4种情况。当连梁跨高比接近1且计算精度要求不高时，为简化计算可采用方案a；当连梁跨高比较小时，可采用方案b；当连梁跨高比较大时，可采用方案c；当连梁立面尺寸较大时，未得到更精确、详细的计算结果，可采用方案d的方式划分单元网格。

2)洞边墙垛较小时，划分网格时该处往往出现竖向窄高的狭长单元，这会导致该部位及相邻部位计算结果出现较大误差甚至失真，建议采用实用的处理方法。

（1）当墙垛净宽度接近300mm时，建模时可近似将墙垛宽度取为300mm：

（2）当墙垛较小(远小于300mm)时，可取消墙垛进行计算。经工程实算分析表明，上述处理方法既简单又可以得到相对合理、可信的计算结果。

（3）洞口连梁在建模时生成方式对结构的整体刚度、周期、位移以及连梁的内力影响较大，一般情况剪力墙连梁的生成有两种方式：

①直接在剪力墙上布置洞口，上下洞口之间形成连粱：

②在剪力墙端部加设节点后，两节点之间按普通梁输入形成连梁。研究表明连梁的生成方式应取决于它的变形条件，当连梁中的剪切位移(变形)不能忽略时，应该以开设洞口方式形成连梁；当其剪切位移在连梁相对位移中所占比重较小可以忽略不计时，则应以普通梁方式输入。由于连梁的剪切变形在其全部变形中所占比重与连梁的跨高比大小密切相关，本文建议采用以下实用处理方法：

当跨高比

当跨高比≥5时，连梁可按普通梁单元输入；当2．5≤跨高比≤5时，连梁应按墙单元输入，但网格需适当细分。

2.2地下室外墙的计算

对于剪力墙结构住宅的地下室外墙计算，在《建筑地基基础设计规范》中并没有有针对性的计算方法、计算模型，因此结构师在工程设计中缺乏统一标准，设计结果的安全性与经济性的平衡控制也无法统一。对于有多层地下室的高层剪力墙结构，传统计算方法常常近似忽略内墙对外墙在水平方向的支承作用而将地下室外墙简化为多跨连续梁模型进行计算，得出的计算结果往往使竖向分布筋配筋偏于安

全，而水平分布筋配筋不足。本文建议当内墙间距小于3倍层高时，所对应的外墙可简化为三角形或梯形荷载下四边支承或三边支承(窗井等上端无支承的情况)的板来计算。鉴于钢筋混凝土水池计算中水池无水状态下的计算与地下室外墙计算条件相近，又有现行规范可以依据，建议在规范对外墙计算作统一规定前可以参考《钢筋混凝土水池设计规范》中相应内容对外墙进行荷载统计和模型选取。

2.3 计算参数“地上剪力墙分布筋配筋率”的选取

在pkpm软件计算参数设置中，“地上剪力墙分布筋配筋率”是影响剪力墙配筋的参数，根据《混凝土结构设计规范》的相关计算公式和剪力墙结构实算经验，墙体分布筋作为墙体受力钢筋的一部分，它的取值大小直接影响墙体边缘构件的纵筋计算结果和墙体水平分布筋计算结果。当输入的分布筋配筋率大于实配钢筋时，将导致墙体纵筋和水平分布筋计算配筋比结构实际需求配筋偏小，结构计算偏于不安全性。为避免这种情况发生，建议根据实配分布筋强度等级和配筋率准确填写该计算参数，如在施工图绘制过程中对分布筋有所调整，应及时对应修改该模型参数，而后重新计算墙体配筋，并参照新的计算结果对施工图原墙体配筋进行核对修改。

2.4 异形板计算

剪力墙结构住宅中为了实现建筑空间的完整性并满足净空要求，常常要求结构专业尽可能减少布置结构梁，这使得相邻板跨之间没有梁的分隔，而容易形成较大的带阴角的异形板。

异形板与普通矩形单向板或双向板的受力特点存在较大差异，在阴角处还有较大的应力集中出现，当采用计算普通矩形板软件近似计算这类异形板时，计算结果往往误差较大，甚至无法真实反映板的实际受力状态。因此本文建议对该类异形板应采用专用软件进行有限元分析，以对近似计算结果进行校核修正，对角部应力集中处应根据有限元计算结果采取附加角部放射状钢筋(见图2)等构造措施来减小板面开裂。

图2 对角度附加放射形钢筋

3 剪力墙结构设计中的经济性问题及解决建议

3.1 地下室外墙计算的水位高度选取

计算地下室外墙所受静水压力时，需要选取适当的设计水位进行计算。《建筑地基基础设计规范》对设计水位的选取没有明确规定。在工程实算中结构师在设计水位选取上常常各有差别、不能统一，同

时导致在经济性和安全性的平衡控制上缺乏标准。有些结构师采用抗浮设计水位进行外墙计算，由于抗浮水位重现期较长、偶然性较大，而外墙构件计算相

比建筑整体抗浮计算，其重要程度和安全储备要求应该更低些，因此取抗浮水位计算外墙显然偏于保守。本文建议参照纠匕京市建筑设计技术细则．结构专业》中3.1.8条第3款的规定“验算地下室外墙承载力时，水位高度可按最近三年至五年的最高水位”，该水位通常远低于抗浮水位，因此在合理考虑最高水位重现期、正确理解政府中远期水资源规划、严格依据相应工程地勘报告、保证外墙构件具备适当的安全可靠度的前提下，参照该条款合理选择设计水位可以显著减小外墙的计算配筋，进而降低地下室结构用钢量。

3.2 人防门框墙计算与人防图集标准的统一

现行人防图集对门框墙等人防构件给出了详细的配筋和构造要求，图集中为了方便查找和使用，对不同的人防荷载、跨度等适用条件进行了较大范围的归并、分类，因此针对某一具体设计条件查找图集时得到的设计结果往往比按规范中的计算和构造要求得出的结果偏大，有时甚至大很多。因此建议在人防设计中特别是当工程中的人防区范围较大、构件数量较多时，应该谨慎选用和引用图集，实际操作中可以根据实算结果有控制地进行设计归并，从而达到在提高设计效率的同时实现优化设计、节约土建成本的目的。

3.3基础底板计算可不验算裂缝

研究人员的试验结果和工程实测表明，基础底板中钢筋的实际应力较计算值小很多。首先，采用筏形基础的高层建筑在基底较大压力作用下，筏板板底与垫层之间产生较大摩阻力，该摩阻力在很大程度上延缓了板底混凝土受拉开裂；除此之外，基底反力往往在结构刚度较大的柱或墙下分布比较集中，而在基础反梁和基础底板的跨中的数值较小，与简化计算时把基底反力简化成均布荷载相比，多数情况下梁板的实际受力比简化计算结果偏小，计算偏于安全；同时高大的基础梁或较厚的基础底板都会形成一定的反拱效应，计算中可以综合考虑这些有利因素的影响而不必验算筏板板底裂缝(强侵蚀性环境中的基础除外)，这在很大程度上节约了基础用钢量，缩减了工程造价。

3.4 控制结构用钢量的综合措施

除上述通过优化计算分析方法来控制结构用钢量外，还应从以下几方面对设计进行定量控制，最终实现在安全、适用的前提下有效降低结构用钢量、节约土建成本。

1)优化建筑方案；

2)优化结构布置；

3)精确荷载统计；

4)控制结构构件截面；

5)优化钢材及砼材料的选用。

4 结论

本文结合钢筋混凝土剪力墙结构设计中的若干问题，对住宅结构如何实现安全性与经济性进行了探讨，提出了一些实用性建议，概括如下：

1)当墙体的单元划分出现狭长、尖角等极不规则形状时，局部计算结果会有较大失真，建模时应尽量使单元形状规则，节点上、下对齐；建模时洞口连梁的生成方式对结构的整体刚度、周期、位移以及连梁的内力影响较大，该影响与连梁的跨高比大小密切相关，可参考正文中的方法生成连粱。

2)地下室外墙简化为多跨连续梁模型进行计算，往往使竖向分布筋配筋偏于安全，而水平分布筋配筋不足。本文建议当内墙间距小于3倍层高时，所对应的外墙可简化为三角形或梯形荷载下四边支承或三边支承(窗井等上端无支承的情况)的板来计算。

3)对于整体计算的参数项“地上剪力墙分布筋配筋率”，当输入的分布筋配筋率大于实配钢筋时，结构计算偏于不安全性。建议根据实配分布筋强度等级和配筋率准确填写该计算参数。

4)异形板与普通矩形单向板或双向板的受力特点存在较大差异，在阴角处还有较大的应力集中出现，建议对该类异形板应采用专用软件进行有限元分析，对角部应力集中处应根据有限元计算结果采取附加角部放射状钢筋(见“图2”)等构造措施来减小板面开裂。

5)在合理考虑各种影响因素、保证外墙构件具备适当的安全可靠度的前提下，建议参照刽北京市建筑设计技术细则．结构专业》3.1.8条第3款的规定“验算地下室外墙承载力时，水位高度可按最近三至

五年的最高水位”，可以显著减小外墙的计算配筋，进而降低地下室结构用钢量。

6)人防设计中特别是当工程中的人防区范围较大、构件数量较多时，应该谨慎选用和引用图集，可以根据实算结果有控制地进行设计归并，节约土建成本。

7)筏板板底与垫层之间存在较大摩阻力，综合考虑基底反力分布较集中、基础梁或厚厚的反拱效应这些有利因素的影响而不必验算筏板板底裂缝，可有效缩减工程造价。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。