剪力墻結構設計在建筑結構設計中的應用

朱國偉

摘 要：剪力墻是建筑物抗震抗風，保障安全穩定的重要設施。文章從剪力墻的特點、種類和結構設計的基本原則及優化措施等方面著手，對剪力墻結構設計中應予以重視的要點進行分析與闡述。

關鍵詞：剪力墻；結構設計；設計原則；優化

引言

剪力墻是建筑物用來抵抗側向壓力和承受豎向重力的墻體，縱向貫穿整棟建筑，是建筑物的重要組成部分，廣泛應用于高層建筑領域，在保障建筑穩定安全和抗災能力方面發揮著舉足輕重的地位。當今社會，隨著建筑物功能和形態的日趨多樣化，人們對建筑結構設計的要求也越來越高，剪力墻受到的關注不斷加深，成為建筑設計和施工領域日常研究的重要課題之一。

1 剪力墻結構設計的基本原則

剪力墻具有高度、寬度大，厚度相對小的特點，外形接近板狀物，受力情況與柱相似。剪力墻設計方法根據其肢長與厚度的比值確定，當剪力墻肢長與厚度的比值小于或等于3時，按照柱的方法來設計，當比值在3至5之間的時候則按照雙向受壓的異形柱來設計。

剪力墻結構體系中，剪力墻作為平面構件，承擔著水平方向的水平剪力、彎矩和豎直方向的壓力、重力。在軸力、彎矩、剪力的共同作用下，它受水平方向作用力的影響情況和底部嵌固于基礎上的懸臂深梁非常接近。剪力墻承擔著建筑物抗風、抗震等的多重職責，除了要具有能夠承受地震作用和風壓影響的剛度強度外，還要具有優良的延伸性能，以抵抗因地震和風吹產生的反復性非彈性形變所帶來的延伸、能量消耗等負面影響并保障結構裂而不倒。為保障墻肢能有效防止墻體發生脆性剪切破壞，剪力墻應盡量設計成延性彎曲型。

剪力墻對于和墻體同一平面的載荷具有很強的承受力，剛性也強。對于來自非同一平面方向的載荷承受力較差，剛度也小。如果有和墻體不在同一平面的梁體與剪力墻相接，就會在墻肢平面外產生彎矩，進而導致剪力墻平面外變形過大，影響建筑使用安全。所以，要盡量避免剪力墻和平面外梁體相交。對于必須相交的情況，則需采取增設扶壁柱或在大梁軸線方向設置與梁相連的剪力墻等措施，來加強墻體平面外剛性和承受力，以便于保證剪力墻平面外的安全。

墻體的設計要從整個剪力墻體系進行分析，同時考慮豎直和水平方向的結構性能。求得內力后按照偏壓或偏拉兩種情況進行正截面承載力和斜截面受剪承載力的設計計算。在剪力墻承載力計算中，帶翼墻的計算寬度一般都是在門窗洞口之間的翼緣寬度、剪力墻間距、墻肢總高的10%中取最小值。

2 剪力墻的特點及分類

剪力墻具有側向承載力強、側移小、吸收地震能量大、室內墻面平整的優點，同時對施工水平要求較高，工藝復雜，建設成本較大。根據墻體開洞數量、洞口尺寸大小以及墻體受力情況，剪力墻可以分之為以下幾類。

整體小開口剪力墻：開洞面積大于15%但對墻體受力情況影響不大的墻。彎矩圖在連梁處發生突變，在整個墻肢高度上沒有發生反彎點。

實體墻：開洞面積0至15%的墻。其受力特點是如同整體的懸臂墻，整個墻肢高度上彎矩圖既不發生突變也不產生反彎點，變形以彎曲型為主。

壁式框架：墻肢寬度小而洞口尺寸大，連梁和墻肢的線剛度接近的墻。整體特性位于剪力墻和框架之間。受力情況接近框架，彎矩圖在樓層處發生突變，并且在大多樓層中會出現反彎點。

雙肢或多肢剪力墻：開洞比較大或者洞口成列布置的墻。墻肢的線剛度比連梁大得多，受力情況與整體小開口墻比較接近。

3 剪力墻的布置原則

進行剪力墻設計，應該在沿著主軸的方向進行雙向或多向布置，不同方向的剪力墻彼此互相連接，但要防止對直或拉通。在進行抗震設計的時候，要避免剪力墻單向布置情況的發生，使之具有良好的空間工作性能。剪力墻在分布上要盡量均勻且數量要相當，做到兩個受力方向的側向剛度接近。剪力墻的墻肢截面盡量做到規則、簡單。在高層建筑的設計中，要控制好剪力墻的布置數量，配置數目過小，會導致結構的抗側力和剛度下降，反之配置數目過大，會造成墻體性能的浪費，由于地震力依據墻體剛度分配，所以墻體剛度過大會導致震力過大。另外自身重力的增加，也會加大建筑倒塌的可能。

為防止建筑剛度發生突變，剪力墻要從下至上連續布置，貫徹整個建筑物。而在高層建筑中，剪力墻的剛度在豎直方向上要均勻分布，墻上開洞或門窗要有有墻肢和連接梁做保障。同時，墻肢截面盡量要設計成簡單、規則的樣式。

剪力墻要按照上下對齊、成列分布的原則開洞，杜絕疊合的錯墻洞出現，以保障剪力墻的承重力，防止墻體變形。

墻肢截面長度與厚度之間的比值在5至8之間的剪力墻稱為短肢剪力墻。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》規定，高層建筑不能全部都采用短肢剪力墻的結構設計。短肢剪力墻的結構最大的使用高度主要受地震烈度、柱網尺寸與結構自重和建筑物高度影響。

4 剪力墻結構設計及計算的優化原則

4.1 剪力墻結構設計的優化原則

除上文提到均勻分布、合理控制剪力墻數量等內容外，剪力墻長度很長時，需要用開設洞口的方式將其分作長度相等的幾段。彼此間用弱連梁連接。分割后的墻段其截面高度與墻段總高度相比，其比值要小于二分之一，以防止剪力墻產生脆性的剪切破壞。設計抗震結構剪力墻時，要防止出現墻肢截面高度和厚度之比小于4、位于洞口與墻邊之間或洞口之間的小墻肢，對于無法避免這種小墻肢出現的情況，就要按照框架柱的方式進行箍筋和全高加密處理。

4.2 剪力墻結構計算的優化原則

4.2.1 樓層的最大層間與層高之比的調整原則

按照有關規范要求，在對多地震作用的樓層最大層間位移進行計算時，主要以樓間彎曲變形為主，同時納入扭轉變形的因素，無須扣除結構整體彎曲變形。進行高層建筑設計，要盡量減小扭轉變形，但不能單純為了追求最小扭轉變形而過大增加豎向構件的剛度。在實際結構設計中，有的設計師為了滿足某一方向的層間位移的要求，就不斷地增加該方向的側向剛度，而忽視了對另一側結構剛度的考慮。這種行為在架構的剪重比超出規范要求時就容易導致樓體安全缺陷。可以通過減小剪重比，控制地震作用來達到需要的效果。

4.2.2 樓層最小剪力系數的調整原則

如果短肢剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩低于結構總底部地震傾覆力矩40%，就要以大開間剪力墻為布置方向，減少剪力墻的布置，從而使其結構滿足側向剛度和樓層最小剪力系數的要求，有效降低結構自身重量，減小地震作用的影響，縮減工程造價。

4.2.3 剪力墻連梁的調整原則

根據計算和實踐檢驗，為保障剪力墻連梁滿足規范對剪力和彎矩的要求，剪力墻連梁的跨高比要大于等于2.5。同時，規范還明確了跨高比大于5的連梁要按框架梁進行設計，設計時不予折減剛度。但對于跨高比5到6之間的剪力墻連梁，不折減剛度就會導致剪力或彎矩超限。因此，可以將跨高比不大于5的連梁通過減小剪力墻墻肢長度使之變為跨高比變為大于6的框架梁，而后者的鋼筋以及混凝土用量一般小于前者，從而降低工程成本。

近年來，我國建筑業取得了突飛猛進的發展。高層建筑鱗次櫛比。剪力墻的應用越發重要與廣泛。設計人員要充分認識到剪力墻的重要作用，本著負責的態度，認真計算，科學設計，深入研究，勇于創新，不斷推進結構設計優化，為保障建筑安全，提高建設水平，貢獻自己的一份力量。

參考文獻

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