剪力墙在建筑结构的分析与应用

1高层建筑常见的结构体系特点
我国对高层建筑定义:“十层及十层以上的住宅建筑为高层建筑，除住宅建筑之外的民用建筑高度大于24m者为高层建筑(不包括建筑高度大于24m的单层公共建筑)［1］。”高层建筑常见的结构体系有框架体系、剪力墙体系、框架-剪力墙体系以及筒体体系，前三类结构体系的特点如下。
1.1框架体系
框架体系由梁和柱组成框架共同抵抗使用过程中出现的水平荷载和竖向荷载，具有较高的承载能力和较好的整体性;其平面布置灵活、可形成较大的空间，但在水平荷载作用下表现出抗侧移刚度小，水平位移大的特点。框架体系的适用高度在地震区为6～15层，在非地震区为15～20层［2］。
1.2剪力墙体系
利用建筑物的墙体作为竖向承重和抵抗侧力的体系称为剪力墙体系，其实质上是固结于基础的钢筋混凝土墙片，具有很高的抗侧移能力。一般情况下，剪力墙体系楼盖内不设梁，楼板直接支承在墙上，墙体既起承重作用，又起围护和分隔作用。剪力墙体系抗侧力刚度大，整体性好，整齐美观，抗震性能好，但由于其横墙较多、间距较密，使得建筑平面的空间布置灵活性较差［3］。剪力墙体系常用于住宅、旅馆等开间要求较小的高层建筑，其适用高度为15～50层［2］。
1.3框架—剪力墙体系
在框架体系的适当部位增设一定数量的剪力墙，形成的框架和剪力墙结合在一起共同承受竖向和水平荷载的体系称为框架-剪力墙体系，其侧向刚度比框架体系大，大部分水平荷载由剪力墙承担，而竖向荷载主要由框架承担，因而用于高层房屋比框架体系更为合理;同时由于其部分位置设置有剪力墙，保持了框架体系易于分割空间、立面易于变化等优点［4］;此外，其抗震性能也较好。框架—剪力墙体系常用于多层及高层办公楼、旅馆等建筑，其适用高度为15～25层，一般不宜超过30层［2］。
2计算机模拟建筑模型
计算机模拟建筑模型的建模参数如下:该建筑为单过道式轻质隔音隔墙办公大楼，不考虑剪力墙开洞以及隔墙的自重作用，永久荷载标准值取3.5kN/m2，可变荷载标准值按照《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)取为取2.0kN/m2。结构抗震等级为一级，场地类别为Ⅱ类，抗震设防烈度为7度第二组，设计基本地震加速度值为0.10g。纵向轴网间距5m×10，横向轴网间距5m+2.5m+5m，层高3m。框架体系中，柱截面尺寸500mm×500mm，梁截面尺寸分别为300mm×550mm，250mm×500mm;剪力墙体系中，剪力墙沿着轴网横向布置，厚度500mm，连梁截面尺寸分别为300mm×550mm，250mm×500mm;板厚120mm。按照《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)规定，框架柱、框架梁、剪力墙和连梁的混凝土强度等级C40，现浇楼板的混凝土强度等级C30;框架柱、框架梁、剪力墙和连梁、楼板的纵向受力钢筋均采用HＲB400级，箍筋均采用HPB300级。模型实体如下图所示(注:10层框架结构为模型1，10层剪力墙结构为模型2，20层框架结构为模型3，20层剪力墙结构为模型4)。
3模型计算分析结果
3.1位移分析
从计算结果中可以看出，所有模型的层间位移角都满足《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)中表5.5.1对钢筋混凝土框架(θ≤［θe］=1/500)和抗震墙(θ≤［θe］=1/1000)中结构弹性层间位移角的规定［5］。在结构受力概念中可以假设剪力墙结构的侧墙为若干个框架柱连接组合而成，由于图1各楼层模型图剪力墙的侧向截面惯性矩比框架结构较大，相对剪力墙结构而言，框架结构可看成柔性结构，所以剪力墙的抗侧刚度要比框架结构较大，其每层的层间最大位移、层间最大位移角比框架结构较小。从表中的最大位移和最大位移角还可以看出，所有模型的顶层都随着地震作用而发生“鞭梢效应”，即在地震作用下，高层建筑或其他建(构)筑物顶部细长突出部分振幅剧烈增大的现象［6］。在模型1和模型2中，虽然楼层剪力和楼层弯矩随着楼层增加而不断减小，但是楼层最大位移随着楼层的增加而不断增大，模型2的楼层最大位移比模型1的增大幅度较小;楼层的最大位移角是反映结构楼层在水平地震作用下的重要技术性能参数，各层的最大位移角有增大、也有减小，但是模型2的楼层最大位移角变化幅度不大，几乎都在1/9000。上述分析结果表明剪力墙结构在地震作用下，其顶部发生“鞭梢效应”现象比框架结构较小。另外，从模型3和模型4的最大位移和最大位移角中可以看出，虽然模型3的顶部发生“鞭梢效应”的现象比模型4较小，但是纵向比较模型2和模型4可以得出，同一种建筑结构随着楼层的增大，其发生“鞭梢效应”现象更为明显。
3.2受力分析
从计算结果中还可以看出，由于建筑结构的底层直接与基础相连，永久荷载和可变荷载从上而下传递到基础，基础直接受到地基的地震作用，所以底层的剪力和弯矩是最大的，结构的顶部虽然水平位移最大(可看成是外部静定，内部超静定的悬臂结构)，但是顶部受到垂直传递的荷载以及地震作用的影响最小，所以其楼层剪力和弯矩随着楼层增大而减小。横向比较模型1和模型2、模型3和模型4，由于剪力墙结构所分配的刚度和质量比框架结构大，导致其每层的地震惯性力比框架结构大，从而其每层的楼层剪力、楼层弯矩比框架结构大。
3.3综合分析
根据以上位移和受力分析，可以得出随着楼层层数增大，剪力墙体系所发挥出来的抗侧向水平地震作用的优越性越来越明显。此外，上述模型都是沿着建筑结构的侧向布置剪力墙，但是实际设计中，必须考虑结构的抗纵向水平地震作用。相同截面尺寸，数量框架结构的纵向、侧向刚度可以看成相同，但是由于剪力墙截面在x和y方向的惯性矩差异很大，导致其不同方向的抗震刚度也差别很大，所以在剪力墙结构中，除了在建筑结构的侧向布置剪力墙外，还需在其纵向布置剪力墙，以提高结构的综合承载能力、抗震性能和刚度。
4结束语
所有高层建筑结构设计为剪力墙结构并不一定合理，虽然剪力墙结构的抗侧向水平地震能力很高，但是其混凝土方量、单位体积的钢筋重量比相同高度的框架结构大得多，剪力墙结构施工也需采用滑模等特殊的施工工艺;在实际设计中还需考虑到剪力墙的端柱、暗柱、连梁等构造措施，这也比框架结构的设计、施工复杂。此外，剪力墙结构的基础通常为筏板基础，大体积混凝土施工中必须考虑后浇止水带、温差应力和温度裂缝等。在高层建筑结构设计中，应对其建筑结构层数、建筑抗震设防类别、房屋所处位置、工程造价、施工工艺、施工难易程度、施工工期等进行综合分析和研究。