针对目前剪力墙结构设计存在的问题，提出在结构设计时，应确切把握剪力墙的理想破坏机制，并根据剪力墙的理想破坏机制阐述在剪力墙设计时应注意的问题和措施。
关键词:联肢剪力墙;剪力墙理想破坏机制;概念设计;剪力墙设计注意问题;措施
1 前言
剪力墙结构(shear wall structure)是用混凝土墙抵抗竖向荷载和抵抗水平荷载的结构。现浇混凝土剪力墙的整体性好，抗侧刚度大，承载力大，在水平作用下侧移小，经过合理设计，能设计成抗震性能好的钢筋混凝土延性剪力墙。由于它侧向变形小，承载力大，且有一定延性，在历次大地震中，剪力墙结构破坏少，表现出令人满意的抗震性能。所以这种结构在高层或多层房屋建筑中被大量运用。
由于高层建筑结构复杂多样，发生地震时地震运动不确定，人们对地震时结构响应的认识有很大的局限性和模糊性，加之材料性能与施工安装时变异性以及其他不可预测的因素，致使设计计算结果和实际相差较大，甚至有些作用效应至今尚无法定量计算出来。因此，在设计中，虽然分析计算是必须的，但仅此往往不能满足结构安全性、可靠性的要求，不能达到预期的设计目标。剪力墙结构设计前，要选择合适的结构方案，认识和掌握剪力墙结构的破坏机制(Failure mechanism)和塑化历程，强调概念设计。在设计中处处都要用清晰的结构概念处理实际工作中的结构问题，对结构所受的各种作用的特点、结构计算、不同结构在各种作用下的反应、变形能力和破坏机制以及各种构造措施等问题，依据结构破坏机制和概念分析进行理解和判读。
美籍华人林同炎教授所著«结构概念与体系»一书，主要从结构整体出发分析各结构分体系的结构概念，揭示了结构体系的规律和结构破坏机制，更强调了设计中灵活运用这些概念设计的重要性。
2 结构理想破坏机制
剪力墙由墙肢和连梁两种构件组成，墙肢和连梁可以视为框架中的柱子和梁，两者在破坏机制上是相通的。框架结构和剪力墙结构的破坏机制一般分为两种，即楼层破坏机制和整体破坏机制(如图)
设计中应尽量避免结构产生楼层破坏机制，这种破坏说明结构在柱中往往存在着薄弱环节，即在其它构件承载力尚未充分发挥作用之前，整个结构已经提前破坏。要使整个结构达到整体破坏机制是容易的，但在地震作用下，出现介于楼层破坏和整体破坏之间的某种机制，也是完全可以理解的。设计人员的责任和义务就是努力实现理想的建筑结构整体破坏机制,就是正确布置和掌握朔性铰出现的位置和出现顺序，就是尽量使结构达到理想破坏机制。各种不同的结构体系，其理想的破坏过程是不同的，如下图
3 剪力墙理想破坏机制
在弹性阶段，剪力墙的性能与整体系数а由关。整体系数为连梁刚度与墙肢刚度的比值(a值大小与剪力墙开洞情况有关，洞口是否存在，洞口的大小、形状及位置的不同都将影响剪力墙的受力性能)。弹性分析表明：连梁刚度小，а≤1时，连梁对墙肢的约束弯矩很小，可以忽略连梁对墙肢的约束，把连梁看成铰接连杆，只传递水平力，墙肢各自承担水平力，剪力墙的刚度，承载力为各墙肢刚度承载力之和，每个墙肢弯矩图与应力分布和悬臂墙想同;其破坏机制为墙肢的弯曲破坏和剪切破坏，它的理想破坏机制是在各墙肢底部因弯曲而产生塑性铰，实现剪力墙的弯曲破坏;连梁刚度大，а≥10时，连梁对墙肢的约束大，在水平力做用下，剪力墙的截面应力分布接近直线，大部分墙肢没有反弯点，剪力墙接近整体悬臂墙，剪力墙刚度，承载力大，其破坏形态为：斜拉破坏，剪切滑移及斜压破坏，其理想破坏形态为整体墙斜压破坏，但应注意尽量避免墙肢出现拉应力。a>>10时，墙肢相对较弱，剪力墙逐步变化为框架，其理想破坏形态同框架理想破坏形态，在梁端和柱低产生塑性铰，实现结构整体破坏机制。 1≤a≤10时，为联肢剪力墙，工程中的剪力墙大部分为联肢剪力墙，本文重点阐述联肢剪力墙的理想破坏机制。
对于联肢墙，整体系数a越大，连梁对墙肢的约束约大，墙的抗侧刚度也越大，双肢墙只有一排连梁，是最简单的一种联肢墙，其剪力最大的连梁在墙高度的中部，(初步设计时，可视为剪力墙的连梁剪力相同，可参考文献1第246页)，a值愈大，剪力最大的连梁的位置愈接近底截面，a值增大，连梁剪力增大，墙肢轴力也增大，而墙肢弯矩减小。
联肢墙可能破坏形态为：1)连梁承载力大，连梁不屈服，连肢墙作为整体斜截面剪切破坏或正截面压弯破坏;2)连梁承载力小，连梁屈服，墙肢承载力大，墙肢不屈服;3)连梁承载力小，连梁屈服，墙肢也屈服。第一种破坏形态的联肢墙类似与整体系数а≥10的剪力墙，应避免整体斜截面剪切破坏，实现整体弯曲破坏，但剪力墙的塑性变形集中在其底部，必须通过抗震构造措施，增强底部约束边缘构件的配筋，增大墙体水平配筋，使墙的底部具有大的延性和耗能能力，才能避免结构倒塌。第二中破坏形态形态可以保证结构不倒塌，但由于仅连梁屈服耗能，对连梁的延性和耗能能力的要求高，连梁应采取措施，避免剪切破坏，实现弯曲破坏，连梁是否有能力提供大震所要求的延性和耗能，与连梁的抗震构造措施有关。连梁加强措施一般有：连梁沿梁长箍筋加密并增大箍筋配筋率，降低连梁的刚度或弯矩设计值，对于跨高比较小的连梁可在连梁腹板上沿跨度方向设缝子或留槽，在连梁中设置交叉抗剪刚筋或交叉斜撑，配菱形抗剪筋，如果有条件可以在连梁中设钢板或型钢。第三种破坏形态是联肢墙比较普遍的破坏形态，连梁可能剪切破坏或弯曲破坏，墙肢底部弯曲破坏，此种破坏与框架中强柱弱梁破坏类似，联肢墙的破坏形态以强墙肢弱连梁为好，即连梁先与墙肢屈服，是塑性变形和耗能分散与连梁中，但允许墙肢屈服，降低对连梁延性和耗能能力要求，此种屈服机制为联肢墙的理想屈服机制。
4 连梁的理想破坏机制
在风荷载和地震荷载作用下 ,墙肢产生弯曲变形 ,使连梁产生转角 ,从而使连梁产生内力。同时连梁端部的弯矩、剪力和轴力又反过来减少了墙肢的内力和变形 ,对墙肢起到了一定的约束作用 ,改善了墙肢的受力状态。高层建筑剪力墙中的连梁在水平荷载作用下的破坏可分两种 ,即脆性破坏 (剪切破坏 )和延性破坏 (弯曲破坏 )。连梁在发生脆性破坏时就丧失了承载力 ,在沿墙全高所有连梁均发生剪切破坏时 ,各墙肢丧失了连梁对它的约束作用 ,将成为单片的独立梁。这会使结构的侧向刚度大大降低 ,变形加大 ,墙肢弯矩加大 ,并且进一步增加P—Δ效应 (竖向荷载由于水平位移而产生的附加弯矩 ),并最终可能导致结构的倒塌。连梁在发生延性破坏时 ,梁端会出现垂直裂缝 ,受拉区会出现微裂缝 ,在地震作用下会出现交叉裂缝并形成塑性绞 ,结构刚度降低 ,变形加大 ,从而吸收大量的地震能量 ,同时通过塑性铰仍能继续传递弯矩和剪力 ,对墙肢起到一定的约束作用 ,使剪力墙保持足够的刚度和强度。在这一过程中 ,连梁起到了一种耗能的作用 ,对减少墙肢内力 ,延缓墙肢屈服有着重要的作用。但在地震反复作用下 ,连梁的裂缝会不断发展、加宽 ,直到混凝土受压破坏。
在墙肢和连梁的协同工作中 ,剪力墙应该具有足够的刚度和强度。在正常的使用荷载和风荷载作用下 ,结构应该处于弹性工作状态 ,连梁不应该产生塑性铰。在地震作用下 ,结构允许进入弹塑性状态 ,连梁可以产生塑性铰。,剪力墙的设计应该保证不发生剪切破坏 ,也就是要求墙肢和连梁的设计符合强剪弱弯的原则 ,同时要求连梁的屈服要早于墙肢的屈服而且要求墙肢和连梁具有良好的延性。 此理想破坏机制在林同炎教授1963年设计的18层，61米高的马那瓜美洲银行得到了很好的验证，马那瓜美洲银行1972年经历了罕遇的强烈的证，并且银行大楼位于震中，震后调查正如设计所预料的那样，仅在核心筒连梁发生剪切破坏，剪力墙在具有很高的应力是仍然处于弹性阶段。这种先进的概念设计思想应值得我们认真去学习，体会。
5 联肢剪力墙设计应注意的问题和措施
当为联肢剪力墙结构时，其朔化历程是首先在联肢梁中出现朔性铰吸收地震能量，改变建筑物刚度，地震力减小。如继续强震作用，会导致联肢墙部出现朔性铰，建筑物变形急剧增大并将失稳，最后倒塌。设计的关键是墙底部的抗弯和抗剪强度问题，设计时只要在这一部位给予充分的考虑重视，可靠度给予适当提高，注意其延性设计，就可基本做到“大震不倒”。
根据联肢剪力墙的理想破坏机制，我们在设计时应注意一下几点：
5.1 剪力墙结构的刚度一般都很大，设计的任务是抗弯和抗剪强度设计。朔化过程比较简单，就是在底部(与墙肢宽相当或1/8总高度且小于底层层高的层高范围内)出现朔性铰，直至破坏。在设计剪力墙结构时要对这一部位特殊关照，尽量提高其延性，对它的抗弯和抗剪可靠度给予适当提高。墙肢底部塑性铰及其以上相邻的一定高度范围，即为剪力墙底部加强区。
5.2 联肢墙的墙肢尺寸不宜相差太大切应具有足够截面的连梁。设计联肢墙宜使多数连梁的屈服发生在墙肢底部屈服之前，为了使连梁能耗散较多的地震能量，应使连梁向墙肢传递较大的轴力，但不使墙肢受拉为限。
5.3 避免小剪跨比(即就是矮墙)墙肢，剪跨比小于1的剪力墙为矮墙，矮墙破坏形态为剪切破坏，属于脆性破坏范畴。设计中应使墙肢的剪跨比大于2，剪力墙墙肢剪跨比大于2的墙以弯曲变形为主，可以实现延性及弯曲破坏。
5.4 设置约束边缘构件，约束边缘构件可以增大墙肢边缘混凝土的极限压应变，增大截面的塑性变形能力，延缓纵筋屈服，增强沿裂缝处抗滑能力，从而提高剪力墙的延性及耗能能力。剪力墙约束边缘构件的构造要求包括4个方面：沿墙肢的截面的长度和沿墙肢的高度，箍筋数量(配箍特征值)，水平分布筋在约束边缘构件内的锚固，纵筋面积。
5.5 控制剪力墙平面外弯矩。剪力墙特点是平面内刚度和承载力大，而平面外刚度及承载力都很小，当剪力墙与平面外方向的连梁连接时候，会产生墙肢平面外弯矩，而一般情况下并不验算墙肢平面外的刚度和承载力。当梁高度大于2倍墙厚时，梁端弯矩对墙平面外的安全不利，因此采取措施减小梁端弯矩对墙的不利影响。
5.6 在设计时注意以下几点措施：
5.6.1 力墙内竖向钢筋的配筋率不宜过小，避免在大震作用下产生脆性破坏。水平分布筋直径不宜过小间距不宜过大，否则对混凝土起不到约束作用;竖向钢筋直径更不能太细间距不宜过大，否则混凝土浇筑时，钢筋挥发生移位，墙厚大于160时，应作双层钢筋，水平筋应放在竖向筋的外侧，与利于抗剪且便于施工。，温度应力的影响，在剪力墙顶部和底部一定范围内，其配筋率还应适当增大。
5.6.2 剪力墙的端部以及墙与墙交叉处应该设置暗柱。暗柱可以提高剪力墙的承载力，可以对边缘处混凝土起约束作用，避免局部压碎，与暗梁一起组成边框，对抗倒塌和抗扭均有利。
5.6.3 楼屋面板处，沿建筑物周边作封闭式圈梁，以保证楼板的整体性和在强震下;楼屋面板不被撕裂。圈梁在多数情况下是由主次梁所组成，在无梁时要做暗梁，尤其对端山墙，更加需要，它的设置对抗扭是有利的。
5.6.4 计中要特别注意剪力墙的与楼板的连接。
5.6.5 梁刚度折减，连梁是抗震多道防线的第一道防线，是主要的耗能构件。刚度折减是保证其地震时作为第一道防线。实际上刚度折减反映下来就是内力折减(配筋减小)。由于计算内力比实际分配内力小，所以地震时连梁首先屈服成为耗能构件。连梁由于跨高比小 ,与之相连的墙肢刚度大等原因 ,在水平力作用下的内力往往很大 ,连梁屈服时表现为梁端出现裂缝 ,刚度减弱 ,内力重分布。因此在开始进行结构整体计算时 ,就需对连梁刚度进行折减。根据《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》第 4 1 7条规定 :“在内力与位移计算中 ,所有构件均可采用弹性刚度 ,在框架—剪力墙结构中 ,连梁的刚度可予以折减 ,折减系数不应小于 0 55。”一般在实际设计中我们在 0 55— 1之间取值 ,以符合截面设计的要求.
6 结论和建议
6.1 由于高层建筑结构复杂多样，发生地震时地震运动不确定，人们对地震时结构响应的认识有很大的局限性和模糊性，加之材料性能与施工安装时变异性以及其他不可预测的因素，致使设计计算结果和实际相差较大。设计时应注意结构破坏机制，并根据结构破坏机制和概念设计来指导设计。
6.2 剪力墙的理想破坏机制是连梁可能剪切破坏或弯曲破坏，墙肢底部弯曲破坏。根据理想破坏机制。在设计中应对剪力墙结构中的底部加强区，连梁等薄弱环节增加配筋和加强构造措施。
6.3 剪力墙设计应注重概念设计和构造措施。