剪力墙钢筋构造做法的力学逻辑

1、剪力墙的受力特点

在竖向荷载（恒、活荷载）和水平荷载（地震作用、风荷载）共同作用下，剪力墙为竖向悬臂型构件，整体或小开口整体剪力墙的墙肢为压、弯、剪共同作用的构件，而双肢或多肢开洞剪力墙的墙肢可能是压、弯、剪，也可能是拉、弯、剪共同作用的构件（后者出现的机会较少，在竖向荷载小于水平荷载产生的拉力时出现）。

剪力墙端部的竖向钢筋和腹板中的竖向分布钢筋共同抵抗压弯作用，端部要配置局部箍（拉）筋，箍（拉）筋和端部竖向钢筋组成剪力墙的边缘构件，箍（拉）筋约束混凝土以改善端部混凝土的抗压性能，提高剪力墙的抗弯延性，因此规范要求底部轴力较大时设置约束边缘构件，轴力小时设置构造边缘构件。

剪力墙端部的竖向钢筋和腹板中的竖向分布钢筋通过压弯计算确定，端部边缘构件的箍筋及最小竖向钢筋由剪力墙的轴压比和抗震等级确定。压弯计算时，偏压构件分为大偏心和小偏心破坏两种情况，大偏压破坏时，其极限状态应力分布如图1所示。

图1 大偏压截面应力分布

注：本图来源于罗福午、方鄂华、叶知满编著的《混凝土结构及砌体结构》

从图中可以看到，剪力墙腹板中的竖向分布钢筋Asw可计入抗弯，因此当端部纵筋As的计算值过大时，可以通过增加竖向分布钢筋Asw适当调整；但是小偏压剪力墙的截面大部分或全部受压（见图2），剪力墙腹板中的竖向分布钢筋不计入抗弯，此时竖向分布钢筋只需按构造配置。

图2 小偏压截面应力分布

剪力墙的水平分布钢筋用于抗剪，通过抗剪计算确定。矩形截面墙体受剪力作用时，剪应力分布如图3（来源于朱炳寅编著的《建筑结构设计问答及分析》）所示，剪应力分布形状为两头小中间大的二次抛物线，两头为零，中性轴处最大，也即墙体中部水平钢筋所受的拉力最大。

图3 墙的剪应力分布

2、剪力墙水平分布钢筋和竖向钢筋的搭接构造

2.1 规范规定

现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010（以下简称《混规》）：

现行行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010（以下简称《高规》）：

2.2 水平分布钢筋的搭接

由于剪力墙的水平分布钢筋在剪力作用下受拉，如同我们不希望受拉钢筋都在同一位置接头一样，现行规范对剪力墙的水平分布钢筋一般要求是错开搭接。《混规》和《高规》的规定略有不同，《混规》要求“接头位置错开不宜小于500mm”，《高规》要求“一、二级剪力墙底部加强区，接头位置应错开，其他情况可同位置连接”。

16G101-1图集关于剪力墙水平分布钢筋的搭接构造要求见第71页右上角的“剪力墙水平分布钢筋交错搭接”大样和第76页“剪力墙水平分布钢筋计入约束边缘构件体积配箍率的构造做法”的注3，如图4。

图4 16G101-1中做法

第71页大样中水平分布钢筋是错开搭接，而第76页的注3，对于第76页的详图（一）考虑现场实际情况写的是“宜错开”，相当于此处开了口子。

22G101-1修编针对这个问题，专家组认为“一、二级剪力墙底部加强区剪力一般较大，接头要求不能放松”，因此本次修正了注3，如图5。

图5 22G101-1第2-25页注3

可能有人会有疑问，除了第76页的详图（一），其他情况对于一、二级剪力墙非底部加强区和三、四级剪力墙的水平分布钢筋可否按《高规》在同位置搭接呢？22G101修编在第2-26页的注2给出了要求，见图6。

图6 22G101-1第2-26页注2

22G101-1的第2-19页做法即图3中16G101-1的第71页右上角做法。可以看到，从水平分布钢筋受力角度出发，图集首推错开搭接。

2.3 竖向钢筋的搭接

剪力墙腹板中的竖向分布钢筋一般情况下非计算需求，因此一般情况下可在同一位置搭接。《混规》和《高规》的规定略有不同，《混规》规定可在同一位置搭接，《高规》要求一、二级剪力墙的底部加强区应错开搭接。

由于抗震等级高的高层剪力墙底部一般弯矩较大，多为大偏压剪力墙（实际高烈度区多层框剪结构中剪力墙的受力也多如此），竖向分布钢筋计入抗弯，因此《高规》对于一、二级剪力墙的底部加强区要求错开搭接是合理的。图集也是如此要求的，见图7。

图7 剪力墙竖向分布钢筋搭接构造

剪力墙边缘构件内纵向钢筋在地震作用下反复受拉与受压，因此《高规》第7.2.20条规定“暗柱及端柱内纵向钢筋连接和锚固要求宜与框架柱相同”。由此图集给的做法见图8，不允许在同一位置搭接。

图8 剪力墙边缘构件纵向钢筋绑扎搭接

另外，剪力墙为弯曲变形，受力类似悬臂构件，层高范围内没有反弯点，与框架柱受力明显不同，因此剪力墙竖向分布钢筋和边缘构件内纵筋的搭接区域都不受楼层限制，见图7和图8中钢筋的搭接起点”≥0”。

根据工程实际需求，22G101-1修编增加了剪力墙竖向分布钢筋上层钢筋直径大于下层钢筋直径时的连接构造和剪力墙边缘构件纵向钢筋上层钢筋直径大于下层钢筋直径时的连接构造，见图9。

图9 剪力墙上层钢筋直径大于下层钢筋直径时连接构造

3、剪力墙水平分布钢筋替代边缘构件箍筋的做法

3.1 规范规定

现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010（以下简称《抗规》）表6.4.5-3：

《抗规》条文说明：

《高规》第7.2.15条：

《高规》条文说明：

3.2 约束边缘构件利用墙筋替代箍筋的构造做法

11G101-1图集第72页响应10版《抗规》的变化，增加了剪力墙水平分布钢筋计入约束边缘构件体积配箍率的构造做法。图中为了突出剪力墙水平分布钢筋的构造要求，对于约束边缘构件仅表达了阴影区箍、拉筋做法，非阴影区的构造做法在注3交代。由于图和文字被拆解，容易被误解为非阴影区外围不需要设置箍筋，可以看到有些资料如图10所示。

图10

图10中剪力墙水平分布钢筋与约束边缘构件箍、拉筋竖向间距不同时，非阴影区仅有拉筋拉住墙竖向钢筋的做法无法形成复合箍，不能计入体积配箍率，需设封闭的外圈箍筋，拉筋紧靠竖筋勾住箍筋，这一点在《抗规》条文说明中表述的很清楚；另外，《抗规》表6.4.5-3规定的箍筋或拉筋的竖向间距，应理解为对全部约束边缘构件的要求，即同时适用于约束边缘构件的阴影区和非阴影区。《抗规》以上要求是为了保证约束边缘构件内箍、拉筋可以有效约束混凝土，非阴影区和阴影区已通过不同的配箍特征值给予了区别。

因此16G101-1修编时，在第76页完整表达了约束边缘构件的阴影区和非阴影区内的箍筋和拉筋，并在第75页区分了墙体水平分布筋与约束边缘构件箍、拉筋竖向间距相同与不同时的做法。但这种修改未引起重视，在工程中还能见到如图10中错误做法。为此，本文特别对16G101-1中此构造做法的修改情况作以上解释。

3.3 构造边缘构件利用墙筋替代箍筋的构造做法

规范有无提到构造边缘构件利用墙筋替代箍筋的内容呢？如果说有，那就是10版《抗规》表6.4.5-2和10版《高规》表7.2.16中对于其他部位构造边缘构件的配筋要求写的是“拉筋”。但是也有细心的人会发现10版《高规》第7.2.16条的条文说明写的是“构造边缘构件可配置箍筋与拉筋相结合的横向钢筋”，10版《混规》表11.7.19中写的是“箍筋、拉筋”。

《抗规》正文（《高规》与《抗规》相同）：

《高规》条文说明：

《混规》：

由前述剪力墙受力特点可以知道，边缘构件的箍、拉筋和剪力墙的水平分布钢筋各自的功能不同，当构造边缘构件轴压比很小，非计算需求时，满足构造要求的剪力墙水平分布钢筋从受力上说可以替代边缘构件箍筋的作用，但如为计算需求，尤其是在底部加强部位与一般部位的过渡区，由于工程千差万别，还是应视结构受力情况用此做法，因此16G101-1图集第77页增加了非底部加强区的构造边缘构件利用剪力墙水平分布钢筋替代箍筋的构造做法，但是强调了此种做法必须由设计指定。

本次22G101-1修编中，专家组给出意见：构造边缘构件部分利用墙身水平分布钢筋代替箍筋的做法，补充计入的剪力墙水平分布钢筋不应大于边缘构件箍筋总体积（含箍筋、拉筋以及符合构造要求的水平分布钢筋）50%的要求，见图11。

图11 22G101-1第2-26页注1

4、其 他

4.1 施工缝处抗剪用钢筋连接构造

16G101-1图集中根据工程需要增加了施工缝处抗剪用钢筋连接构造，见图12。

图12 施工缝处抗剪用钢筋连接构造（一级剪力墙）

想说一下22G101-1修编过程中，作者关于这个连接构造走的小弯路。作者曾经认为剪力墙水平施工缝处附加竖向插筋的抗剪原理同受剪预埋件中锚筋的受力机理（见图13，钢筋周边混凝土受压，钢筋处于拉弯状态），一度把钢筋施工缝上下长度由“≥laE”修改为“≥15d”。

图13 锚板和锚筋的受力状态

注：本图来源于徐有邻编著的《混凝土结构设计原理及规范的理解与应用》

后查阅资料，认识到《高规》第7.2.12条水平缝抗滑移公式的原理是钢筋摩擦抗剪，如图14所示，钢筋穿过混凝土水平缝，剪力Vn作用平行于水平缝，使得水平缝上部块体相对于下部块体有滑动的趋势，主要由沿水平缝处混凝土交界面的摩擦力所抵抗，当钢筋与水平缝正交时，滑动及由此产生的混凝土分离将使钢筋受拉，有试验已经证实，当剪切破坏发生时，妥善锚固的钢筋将达到其屈服强度。

图14 混凝土水平缝抗滑移钢筋受力状态

注：本图来源于[美]A.H.尼尔逊著，过镇海、方鄂华、庄崖屏等译校的《混凝土结构设计》第12版

关于抗滑移钢筋的锚固则在《高规》第7.2.12条及条文说明都做了规定“要有足够的锚固长度”。

《高规》条文说明：

4.2 墙厚大于 400mm 时钢筋的排布

剪力墙的水平和竖向分布钢筋形成网状，不仅可以抵抗墙面混凝土的收缩及温度应力，还可以抵抗剪力墙面外弯矩，因此16G101-1在注2中给出如图15的建议，抗剪作用的水平分布筋宜均匀放置，竖向分布钢筋在保持相同配筋率的条件下外排直径大于内排直径可提高其面外抗弯的能力。

图15

那么墙厚大于400mm的边缘构件纵筋应该如何排放呢? 16G101-1并未给出，14G330-1有如图16纵筋在边缘构件周边的布置，有些工程图纸如图17所示，纵筋在边缘构件内均匀布置。

图16

图17

这两种布置在实际工程中都有，哪种是合理的呢？要回答这个问题，要想一下剪力墙边缘构件的纵筋是如何计算的。《混规》第6.2.19条中偏压剪力墙的正截面受压承载力计算截面如图18所示。

图18 沿截面腹部均匀配筋的I形截面

图18中的As和As’就是边缘构件内的纵筋，边缘构件中所有纵筋是假定位于其中心位置的，因此图16和图17的钢筋排布方式都没有问题。

5、结 语

平法图集自03G101开始，在工程界发挥了重要作用，极大的缩短了设计师的绘图时间，解放了生产力。由于G101是以规范为依据，随着规范的修订，G101图集经历了几次修订，尤其是11G101系列图集相对 03G101有了很大变化，图集的体系也做了重大调整，11G101-1中剪力墙的内容开始包含地下室内的现浇混凝土墙体。作者从16G101-1开始参加剪力墙标准构造详图的修编工作，逐步认识到构造原理的重要性，以及构造做法的根源是构件受力的需求，以上为作者在修编工作中的体会，希望也可以对读者在理解剪力墙的构造做法时有所启发。