論剪力墻結構設計在建筑結構設計中的應用

摘要：剪力墻結構是常見的建筑結構形式，在建筑結構得到了廣泛的應用。了解剪力墻結構的基本性能，掌握其分析與設計方法，是從事建筑結構設計、分析的基礎。本文結合剪力墻結構設計的相關理論，分析了剪力墻結構設計要點，并就其在工程中的實際應用進行了研究。

關鍵詞：剪力墻；結構設計；應用分析

前言

剪力墻結構是指縱橫向主要承重構件全部為結構墻的結構。當墻體處于建筑物中合適的位置時，它們能形成一種有效抵抗水平作用的結構體系，同時，又能起到對空間的分割作用。近年來，由于建筑需求的增加和用于建造住宅的土地供應緊張，高層建筑的建造成為眾多開發商的首選，推動了剪力墻結構日益廣泛的應用。因此為了更好的適應不斷變化的經濟形勢，促進建筑事業的發展，有必要加強剪力墻結構設計的應用，以提高剪力墻結構的綜合利用率。

1.剪力墻結構設計概述

1.1剪力墻的分類及其受力特點

為滿足使用要求，剪力墻常開有門窗洞口。理論分析和試驗表明：剪力墻的工作特點和分類與其所開洞孔的大小和數量有關。剪力墻按受力特性的不同可分為整體墻、小開口整體墻、聯肢墻和壁式框架（如圖1）。不同類型的剪力墻，其截面應力分布也不相同，計算其內力和位移時則需采用相應的計算方法。

（a）整體墻 （b）整體小開口墻 （c）雙肢墻 （d）整式框架

圖1剪力墻分類示意圖

（1）整體墻：無孔洞或孔洞很小的剪力墻稱為整體墻，其受力特點如同豎向懸臂梁。在水平荷載作用下，當剪力墻高寬比較大時，其受彎變形后的截面仍然符合材料力學中的平截面假定，截面上的正應力呈線性分布。

（2）整體小開口墻：當剪力墻上所開洞孔的面積稍大時，在水平荷載作用下的這類剪力墻，其截面上的正應力分布略偏離直線分布的規律，變成相當于整體墻彎曲時的直線分布應力之上疊加了墻肢的局部彎曲應力，當大部分樓層上的墻肢不出現反彎點時，稱這類剪力墻為整體小開口墻[1]。

（3）聯肢墻：當剪力墻上所開的洞孔較大且連梁的剛度比墻肢的剛度小得多時，在水平荷載作用下的這類剪力墻，其連梁跨中會出現反彎點，各墻肢的單獨工作能力也比較明顯，可看成是若干單肢剪力墻由連梁聯結起來的剪力墻。

（4）壁式框架：剪力墻洞孔開得越大，各墻肢的獨立工作能力越明顯。當連梁的剛度很大，而墻肢的剛度相對較弱時，剪力墻的受力狀況已接近普通框架的受力特性，其特點是墻肢截面的法向應力分布明顯出現局部彎矩，在許多樓層內墻肢有反彎點。

1.2確定剪力墻的厚度

剪力墻厚度的大小與建筑物的層數、高度、荷載大小、截面承載力、開裂、減輕自重、軸壓比的要求及施工條件等因素有關，一般根據結構的剛度和承載力要求確定。對于有抗震設防要求的剪力墻，其在底部加強區的厚度宜適當增大。剪力墻最小厚度的選用還需要保證墻體本身的穩定和施工方便[2]。在工程設計時，主要是根據經驗來確定剪力墻的厚度，也可采用下列公式來估算剪力墻的厚度：

一般剪力墻的厚度：

按抗震等級為三、四級和非抗震設計時：

式中 為剪力墻厚度； 為樓層層高或剪力墻無支承長度。

2.剪力墻結構的設計

2.1剪力墻的布置

剪力墻結構中，剪力墻宜沿主軸方向或其他方向雙向布置，不同方向的剪力墻宜分別聯結在一起，以形成空間結構；抗震設計的剪力墻結構，應避免僅單向布置剪力墻的結構形式，并宜使兩個方向抗側剛度接近，即兩個方向的自振周期宜相近。剪力墻墻肢截面宜簡單、規則。剪力墻的抗側剛度及承載力均較大，為充分利用剪力墻的能力，減輕結構自重，增大結構的可利用空間，剪力墻不宜布置得太密，使結構具有適宜的側向剛度。

剪力墻布置對結構的抗側剛度有很大的影響，剪力墻沿高度不連續，將造成結構沿高度剛度突變。所以，剪力墻宜自下到上連續布置，避免剛度突變。允許沿高度改變墻厚和混凝土等級，或減少部分墻肢，使抗側剛度沿高度逐漸減小。在地震區，細高的剪力墻容易設計成彎曲破壞的延性剪力墻，而低矮墻屬剪切脆性破壞，抗震性能差，為此宜將剪力墻設計成高寬比H/B較大的墻。當剪力墻較長時，將其分成長度較為均勻的若干墻段，墻段之間宜采用弱連梁連接，每個獨立墻段的總高度與其截面高度之比不應小于2，且墻肢截面高度不宜大于8m。

此外剪力墻洞口的布置，會極大地影響剪力墻的力學性能。為此規定剪力墻的門窗洞口宜上下對齊，成列布置，形成明確的墻肢和連梁，其應力分布比較規則，又與當前普遍應用的計算簡圖較為符合，設計結果安全可靠

2.2梁端部彎矩的設計

剪力墻的特點是平面內剛度及承載力大，而平面外剛度及承載力都相對很小。當剪力墻與平面外方向的梁連接時，會造成墻肢平面外彎矩，而一般情況下并不驗算墻的平面外剛度及承載力。應控制剪力墻平面外的彎矩，當剪力墻墻肢與其平面外方向的樓面梁連接時，且梁截面高度大于墻厚時，可采用以下措施減小梁端部彎矩對墻的不利影響：沿梁軸線方向設置與梁相連的剪力墻，以抵抗該墻肢平面外彎矩；當不能設置與梁軸線方向相連的剪力墻時，宜在墻與梁相交處設置扶壁柱；扶壁柱宜按計算確定截面及配筋；當不能設置扶壁柱時，應在墻與梁相交處設置暗柱，并宜按計算確定配筋；當與剪力墻相連的樓面梁為鋼梁時，剪力墻內宜設置型鋼，鋼梁應與型鋼連接[3]。

除了加強剪力墻平面外的抗彎剛度和承載力以外，還可采取減小梁端彎矩的措施。對截面較小的樓面梁可設計為鉸接或半剛接，減小墻肢平面外的彎矩。鉸接端或半剛接端可通過彎矩調幅或梁變截面來實現，此時應相應加大梁跨中彎矩。

2.3抗震結構設計

剪力墻結構的一個結構單元中，當有少量長度大于8rn的大墻肢時，計算中樓層剪力主要由這些大墻肢承受，其他墻肢承受的剪力較小，一旦發生地震，尤其高烈度地震時，大墻肢容易首先遭受破壞，而小的墻肢的承載力有限，使整個結構的各墻肢可能被各個擊破，這對結構是極為不利的。同時，細高的剪力墻（高寬比大于2）容易設計成彎曲破壞的延性剪力墻，從而可避免脆性的剪切破壞。因此較長的剪力墻宜開設洞口，將其分成長度較為均勻的若干墻段，墻段之間宜采用弱連梁（跨高比宜大于6的連梁）連接，每個獨立墻段的總高度與其截面高度之比不應小于2。獨立墻段宜通過設置門窗洞口或結構洞使洞口間的墻肢截面高度不宜大于8m。較短墻肢受彎產生的裂縫較小，墻體的配筋能較充分發揮作用，有利于改善結構的抗震性能。

3.剪力墻結構設計優化

3.1剪力墻結構設計材料優化

剪力墻材料用量是整個結構材料用量的核心。在滿足安全適用的前提下，如何減少剪力墻材料用量是結構設計師研究探討的重要課題。剪力墻結構的設計優化也是首先從減少剪力墻結構材料的角度考慮的。

影響剪力墻材料用量的幾何因素有長度和厚度，在設計中為了保證結構為一般剪力墻結構，剪力墻的長度須按規范要求進行設置，一般不宜減短。同時，結構的剛度與剪力墻長度的三次方成正比，與厚度的一次方成正比，因此減小剪力墻截面厚度既可以有效減少材料用量，又不至于嚴重削弱結構的剛度。一般來說，剪力墻的設計應在滿足穩定性的前提下，盡量減薄，也就是在滿足剛度等要求的前提下，達到減少剪力墻材料用量節約造價的目的。

3.2鋼筋混凝土剪力墻的延性的提升

提高鋼筋混凝土剪力墻的延性，主要包括以下措施：控制鋼筋混凝土剪力墻的高寬比，使其大于2，這樣的剪力墻其受力性能接近于懸臂梁；采用有邊緣構件的剪力墻，邊緣構件的受力鋼筋要有很好的錨固，在無邊緣構件的剪力墻中應設置暗梁，暗柱；提高底部剪力墻的抗剪可靠度，保證剪力墻的抗彎屈服出現在抗剪破壞之前。

4.結語

總的來說，隨著剪力墻結構設計應用范圍的不斷擴大，相關設計者應當加強相關理論的研究，在掌握剪力墻結構設計要點的基礎上，以創新的意識和理念不斷采用新技術，改進新方法，從而提高自身的設計水平，充分發揮剪力墻結構在建筑設計中的作用。這樣才能真正的降低工程成本，保證建筑工程結構的經濟性和安全性。

參考文獻：

[1]薛云飛，馬曉霞.談剪力墻結構設計中的幾個問題[J].陜西建筑，2013（06）.

[2]李捍文.剪力墻結構在建筑結構設計中的應用分析[J].科技創新與應用，2012（04）（中）.

[3]孫雪蘭.淺談高層剪力墻結構的優化設計[J].山西建筑，2013，8（12）：35.

作者簡介：

吳智登（1986.4-），男（苗族），廣西柳州人，本科，從事結構設計工作。