建筑結構設計中的剪力墻結構設計研究

李娜

（中匠民大國際工程設計有限公司山西分公司，山西太原 030000）

0 引言

近年來，建筑行業在經濟增長的帶動下迅速發展，工程建造形式和種類多樣性更強，應用在建造過程中的建造工藝也不斷增多。剪力墻結構是一種具有高強度、高剛度、高承載力、高抗剪能力的新型建筑結構型式，因其良好的綜合性能，廣泛應用于高層建筑中。加強對剪力墻結構設計的研究，對促進建筑工程的健康發展、提高建筑質量、推動建筑行業發展都有積極的作用。

1 剪力墻結構概述

剪力墻結構是指在建筑工程中將傳統框架結構中的梁、柱結構以鋼筋混凝土墻板代替，利用鋼筋混凝土墻板承擔建筑整體結構中產生的各種內力，避免建筑梁、柱結構因承受過大剪切力而發生損壞。當前剪力墻結構在高層建筑中的應用非常廣泛，能有效提高建筑結構整體的穩定性和安全性，提高建筑物的抗風、抗震能力，但剪力墻的應用效果會受到工程預算、施工人員專業技術水平等因素的影響。

當前應用在建筑工程中的剪力墻結構主要分為筒體和平面剪力墻兩種形式，其中筒體剪力墻多應用于高層建筑、懸吊式建筑和高聳型建筑的特殊部位中，如電梯間、樓梯間、輔助房間等，將剪力墻設計成間隔圍墻的形式，筒體剪力墻的筒壁材料通常為現澆鋼筋混凝土，具有非常突出的強度和剛度。平面剪力墻則多應用在升板結構、鋼筋混凝土框架結構、無梁樓蓋體系中等，應用方式有兩種，一種是在建筑結構的某個受力點中，以現場澆筑的方式建造剪力墻，還可直接安裝預制裝配式剪力墻，提升建筑工程的整體強度、剛度、抗震、抗風能力。

2 剪力墻結構的設計要求

2.1 水平荷載要求

建筑工程的整體重量會隨著建造高度的提升而不斷增加，建筑結構需要承受的水平荷載也隨之提升，若未能充分考慮水平荷載的傳遞路徑問題，可能會使工程在建造和使用過程中出現側移情況。與低層建筑相比，高層建筑中對整體結構的抗壓能力、承重能力和水平荷載的承擔能力都有更高要求[1]。

2.2 軸向變形控制

高層建筑中引發軸向變形的原因較多，如層數多、自重大、軸力大等，且應用剪力墻結構的高層建筑中主要依靠框架中柱承擔主要應力，使框架中柱的軸向壓力遠大于框架邊柱承受的軸向壓力[2]。長此以往，框架中柱可能會發生明顯的壓縮變形，當框架中柱和框架邊柱之間的變形量達到一定數值后，可能會引發連續梁中心支座沉陷，為高層建筑的質量安全埋下嚴重隱患。所以在設計剪力墻結構時，必須考慮軸向變形控制因素。

2.3 提高結構的延展性

剪力墻結構的主要功能是幫助房屋建筑承受來自風和地震作用引發的水平荷載和豎向荷載，以此提升建筑物抗風抗震能力，保證建筑的安全性和穩定性。因此，在對剪力墻結構進行設計時，還需要充分考慮結構的延展性，使高層建筑能有效抵抗在地震環境中可能發生的變形情況，使建筑具有更好的承載能力。

3 建筑結構設計中剪力墻結構設計措施

3.1 科學設計結構受力點

剪力墻作為建筑工程中一種豎構件，在使用過程中會承受來自多個方向力的作用，如垂直方向上的應力作用、水平方向上的荷載作用等。設計人員應結合建筑工程實際情況來科學分析不同結構中剪力墻的受力情況，根據剪力墻墻體受力的大小調整混凝土強度，最大限度發揮剪力墻的抗剪、抗風、抗震能力。同時，根據墻體在使用過程中會承受的力的作用形式和荷載大小來優化其延展性，使建筑物中的剪力墻能有效抵抗來自水平和垂直方向上的荷載作用，使高層在高強度荷載作用中，能依托剪力墻的延展性發生微幅度晃動，以做功的形式消耗水平荷載，提高建筑物對外力的抵抗能力，保證建筑的安全性。

3.2 確定剪力墻厚度

剪力墻結構在施工過程中對建筑整體結構有很多硬性要求，必須提高剪力墻和建筑結構整體設計的融合度，才能最大限度發揮剪力墻的綜合作用[3]。在確定剪力墻墻體厚度時，國內建筑行業相關規范中明確指出，底部加強部位的墻厚，一、二級不應小于200mm，三、四級不應小于160mm；其余部位的墻厚，一、二級不應小于160mm，三、四級不應小于140mm。高層建筑不同樓層中的剪力墻剛度可能存在差別，設計人員可采用階段變化的形式調整剪力墻的厚度，規定厚度變化區間。部分高層建筑中底部樓層和頂部樓層會采用不同強度等級的混凝土，此時可采用錯樓層的方式調整剪力墻厚度，保證剪力墻的厚度能充分滿足建筑工程豎向應力的承載要求。

3.3 科學設計大墻肢尺寸

不同建筑結構的實際特點各有不同，為提高剪力墻的延展性，可根據建筑建造的實際要求對剪力墻高度進行科學設計[4]。剪力墻主要是由墻肢和連梁共同構成的，在設計剪力墻高度時需要考慮結構的整體高度，相關研究已經證實，當剪力墻的高寬比約為3 時，剪力墻的延展性最好，彎曲能力最強，能有效提高建筑的抗剪能力。若建筑工程設計中必須將剪力墻設為大高度，以致剪力墻高寬比超過3，則可采用雙向受壓結構對其進行優化，就是在剪力墻墻體上開洞，通過開洞配合優化剪力墻高寬比。

4 設計實例

4.1 工程概況

本文以某市高層住宅建筑項目為例，對建筑結構設計中剪力墻結構設計的實際應用進行研究。該工程地上27 層，地下2 層，建筑總高度86.85m，其中地下2 層層高3.6m，地下1 層層高2.2m，地上1 層層高為5.4m，地上2、3 層層高為4.5m，4 層及4層以上住宅層高為3m。該項目所處地區的抗震設防烈度為Ⅷ度，設計基本地震加速度為0.20g，設計地震分組為第二組，建筑場地類別為Ⅲ類。

設計人員在分析了該建筑工程的結構特點、層數、高度和工程建設要求后，確定在高層住宅建筑中應用剪力墻結構，剪力墻抗震等級為一級。

4.2 剪力墻結構設計

4.2.1 剪力墻布置原則及混凝土強度等級

該工程通過集中布設的方式構建核心筒，以充分發揮剪力墻結構的性能優勢。具體布設過程中采用平均布局的方式，保持連梁高度適中，與兩方向墻高度一致。在設計剪力墻結構時，單墻肢的長度不超過8m，截面厚度在200~400mm 范圍內，在不同樓層中混凝土強度等級如表1 所示。

表1 剪力墻混凝土強度等級

4.2.2 底部加強區設計

底部加強是提高底部較弱結構綜合性能的建筑方法，優化底部加強區設計，對提高建筑結構整體的穩定性具有重要意義[5]。底部加強區的高度，應從地下室頂板算起，可取底部2 層和墻體總高度的1/10 二者的最大值。工程底部加強區高度為底部2 層。

4.3 梁、板結構設計

通常情況下，高層建筑中的梁板結構跨度相對較小，應注意優化結構中應力的傳遞路徑，避免出現多層傳遞的情況。工程中高層建筑樓板設計厚度在100~120mm 范圍內，屋面板設計厚度為120mm，梁、板混凝土設計強度均為C30。

5 剪力墻結構設計中需要注意的問題

5.1 科學設計剪力墻數量

隨著高層建筑工程的不斷發展，剪力墻結構的應用范圍不斷擴大，很多設計人員會結合工程建設需要，設計不同種類的剪力墻結構，以此提高建筑工程的綜合性能[6]。但需要注意的是，剪力墻的布置也應適當，若剪力墻設置過多，可能使建筑結構在大地震中發生脆性損壞，反而影響建筑物的安全性。因此，設計人員應結合實際建造要求，結合不同結構位置中對剪力墻結構的不同要求，科學設計剪力墻數量，才能最大限度發揮剪力墻結構的優勢。

5.2 不斷優化剪力墻結構設計

建筑工程施工中存在較多變量，對剪力墻結構設計的科學性造成影響[7]。為提高設計方案與實際工程的匹配度，設計人員應在設計之前對施工現場進行充分考察和研究，以工程建設的實際需要出發，持續性地優化剪力墻結構設計方案，最大限度消除外界因素對剪力墻結構施工的影響。

6 結語

綜上所述，隨著國民經濟的快速增長，人民群眾的生活水平不斷提升，對建筑工程的建造形式、建造質量、實用性、舒適性等都有新的要求，傳統建筑結構設計方式已不能與最新的建筑工程建設形勢相匹配。剪力墻結構作為高層建筑中的抗剪構件，在建筑工程中的應用范圍不斷擴大，加強對建筑結構設計中剪力墻結構設計的研究，提高剪力墻結構設計的科學性，對提高建筑工程質量、促進行業發展來說都具有重要意義。