淺談高層建筑剪力墻結構設計思路與應用

金霄

（廣州市設計院 廣東廣州 510620）

剪力墻結構是指縱橫向的主要承重結構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。剪力墻結構是用鋼筋混凝土墻板來代替框架結構中的梁柱，能承擔各類荷載引起的內力，并能有效控制結構的水平力，這種用鋼筋混凝土墻板來承受豎向和水平力的結構稱為剪力墻結構。剪力墻結構作用高層建筑中的主要結構形式，在現代高層建筑中被大量運用。

1 剪力墻種類

剪力墻一般根據墻上洞口的大小、多少及排列方式，主要分為以下幾類：

1.1 整體墻

沒有門窗洞口或只有少量很小的洞口時，可以忽略洞口的存在，這種剪力墻即稱為整體剪力墻，簡稱整體墻。當門窗洞口的面積之和不超過剪力墻側面積的15%，且洞口間凈距及孔洞至墻邊的凈距大于洞口長邊尺寸時，即為整體墻。

1.2 小開口整體墻

門窗洞口尺寸比整體墻要大一些，此時墻肢中已出現局部彎矩，截面法向應力相當于整體彎矩直線分布和墻肢局部彎矩應力疊加的之后的結果，這種情況下的變形基本上屬于彎曲型，這種墻稱為小開口整體墻。

1.3 聯肢剪力墻

如果剪力墻開洞面積更大，剪力墻整體性受到破壞，連梁剛度比墻肢剛度小很多，連梁中部有反彎點，截面法向應力不能用平截面假定計算，剪力墻變形由彎曲型向剪切型過渡，各墻肢單獨作用更明顯，可看成由多肢剪力墻通過剛度較大的連梁結合在一起的剪力墻，此時成為聯肢剪力墻。

1.4 框支剪力墻

當底層需要滿足大空間使用時，通過轉換柱與轉換梁，采用框架結構支撐上部剪力墻，就形成框支剪力墻。在地震區，不容許采用純粹的框支剪力墻結構。

1.5 壁式框架

當剪力墻開洞面積很大的時候，墻肢長度較短，此時墻肢剛度與連梁剛度相近，變形變為剪切型，受力性能更接近框架結構，此時稱為壁式框架。

2 剪力墻結構設計的思路分析

2.1 充分考慮墻的寬高以及受力情況

（1）基于剪力墻設計過程中，需對墻的寬度與高度加以明確。根據以往工程實際設計經驗來看，非常容易出現墻面偏大但墻體厚度偏小的情況，此類建筑結構在結構受力方面存在一定的弊端。與此同時，在剪力墻結構設計過程中，需將建筑結構中剪力墻和柱區分開來，確保構件厚度和肢長符合相應的設計標準；如構件肢長與厚度比值<3，那么構件設計需要對按柱設計要求進行設計；如比值>3，那么需對剪力墻進行設計。

（2）在剪力墻結構設計過程中，需對構件承受的豎向力與水平力進行整體考慮。基于剪力與彎矩的影響下，剪力墻需承擔很大的作用力，所以剪力墻需要具備一定延續性，并且可以確保在水平力影響下的有關要求得到滿足。采用剪力墻期間，在1個平面當中，剪力墻所承受的剛度與承載力更大。所以，與平面外的承載力與剛度比較便呈現偏小的特點。此外，需重視剪力墻與平面外的梁之間的連接，主要是因為基于平面外墻肢會有彎矩狀況發生。針對此類情況，需給予有效處理措施，從而使剪力墻平面的安全得到有效保證。

2.2 合理掌握剪力墻的尺寸及其外形

要想優化剪力墻設計，便有必要合理掌握剪力墻的尺寸及其外形。對于不同的墻體結構來說，其設計也存在差異；所以剪力墻結構設計在豎直或水平方向的剛度及其荷載分布均有所差異。為了使剪力墻荷載傳遞要求得到有效滿足，需保證其墻肢截面高度是墻厚的八倍。同時，對于剪力墻結構來說，要想使自身的穩定性得到有效保證，便需要優化設計外形，通常選取T形或者L型最好，這兩種外形方案的選擇均能夠減輕墻體的重量，進而使剪力墻結構的外形體積得到有效減小，并使剪力墻側向剛度的提高得到有效促進，此外還能夠在一定程度上使建筑工程項目的成本得到控制。此外，在剪力墻結構使用過程當中，需保證剪力墻2個方向中至少有一個與標準相符，且另一個不宜偏短，誤差值控制在1m內，這樣才能夠使配筋問題得到有效避免。

2.3 優化剪力墻設計的計算

在剪力墻設計過程中，需從整體角度分析水平力以及豎向力，進而優化計算剪力墻設計，以此使設計出來的剪力墻的承受荷載以及壓力符合設計的而要求。需明確的是，在剪力墻計算過程中，需明確剪力墻和寬度之間維持的距離，同時在樓層間還有必要對最小剪力系數加以考慮。從我國建筑房屋設計有關規定來看，明確基于施工過程中房屋需使自重降低，同時還需要確保房屋的抗震效果。然而，對于一般的剪力墻結構來說，由于短肢剪力墻結構抗側剛度比較小，所以在設計的情況下有必要對一定量的長墻進行布置，或采用電梯在樓梯間形成大剛度的內筒。如此一來，結構在設防烈度產生較大的變形情況便能夠得到有效避免，同時還能夠使兩道的抗震防設效果增強。總而言之，需對剪力墻設計進行優化計算，進而確保剪力墻設計符合標準要求。

2.4 優化設計剪力墻連梁及剪力墻大墻肢

①對于剪力墻連梁來說，也就是墻肢和墻肢之間互相連接的梁，當墻肢受到壓力的情況下，便容易產生超筋或形變，進而使建筑的質量及壽命遭到很大的威脅。因此，便有必要優化設計剪力墻連梁。具體優化措施為：一方面，合理降低剪力墻連梁的高度，以建筑工程實際情況為依據，使剪力墻連梁的高度控制在合理范圍內，從而使因尺寸問題引發的連梁剪切形變狀況得到有效避免。另一方面，規范控制剪力墻結構的塑性，并對剪力墻連梁彎矩的抗震設計進行合理調整。并且，需對連梁的受力合理控制。②在剪力墻設計過程中，需確保剪力墻具備很好的延展性，這樣才能夠使剪力墻設計實現優化。剪力墻結構較為特殊，寬和高比較弱<2，那么其柱體一般呈細高狀。因此，要使剪力墻剪切破壞程度得到有效控制，需保證剪力墻呈現彎曲狀。而要想使剪力墻的高度得到有效保障，首要工作是進行均勻分段，然后采取開洞技術把剪力墻分成小墻段，以此使剪力墻在彎曲過程當中可以控制裂縫的擴大。剪力墻平面布置的時候，宜簡單、規則，質量、剛度和承載力分布宜均勻。除平面均勻外，剪力墻的豎向布置也應該規則、均勻，側向剛度宜下大上小，逐漸均勻變化。厚度也應沿高度均勻變化，厚度取值根據層高確定，應盡量在結構底部設置較厚剪力墻。剪力墻不宜過長，墻段長度不宜大于8m。抗震設計時，應避免單向布置剪力墻，宜使各主軸方向側移剛度相近，且剪力墻間距及長度也應盡量均勻。結構豎向抗側力構件宜上、下連續貫通。表現在設計結果中，即結構在兩個主軸方向的動力特征（周期和振型）宜相近。

3 剪力墻結構設計案例分析

結合某工程進行分析，該項目位于廣東陽江，為高層住宅。結構類型是純剪力墻結構，抗震等級為二級。其中地上主體住宅部分30層，地下室2層，外圈住宅底部設置商鋪，且與地下室外墻及塔樓首層呈錯層布置（見圖1陰影部分）。依照《廣東省高規-DBJ15-92-2013高層建筑混凝土結構技術規程》11.4.4規定錯層處柱截面抗震等級應提高一級。由于此處為地下室外墻，則采用將地下室外墻向上延伸至塔樓二層進行錯層部位加強。設計過程中，發現二層墻柱局部出現軸壓比超限的情況，結合模型分析，采用了三種對策：

（1）加長加厚墻肢，增大混凝土受壓面，從而降低軸壓比，此方案后因建筑功能需要無法按結構需求加長加厚墻肢，此方案被否決；

（2）局部采用鋼板剪力墻，即在軸壓比超限樓層剪力墻內設置鋼板并向上順延一層，利用鋼板剪力墻延性好的特點，降低軸壓比，提高墻柱的延性。此方案因整個項目僅一處需設置鋼板剪力墻，綜合考慮后未采用；

（3）經過對模型的位移分析，發現因錯層加強處剪力墻較厚，相對應帶來的剛度增大，導致整體結構為了平衡位移，該處受力集中，導致軸壓比超限，后將錯層處400mm厚減為300mm，并在墻上開數個墻洞，適當削弱該處剛度。處理后上部墻肢軸壓比下降，滿足規范要求。

4 結語

高層建筑抗震設計是一個較為復雜的過程，設計因素較多，需要從各個方面進行綜合性研判，才得到獲取最佳的設計效果。在針對高層建筑不同結構進行抗震性能強化過程中，要盡量使結構的剛度和質量均勻分布墻體分布要均勻，剪力墻或抗震墻布置要和結構抗震要求相結合，剛度較大的電梯井要盡量居中布置，避免偏心，也應避免因底部剛度過大帶來上部結構超限。

圖1

[1]許曉冬.建筑結構設計中剪力墻結構設計的應用分析[J].黑龍江科技信息，2014，23：251.

[2]王小引.剪力墻結構設計在建筑結構設計中的應用分析[J].門窗，2015，03：116+118.

[3]李源新.高層建筑結構概念設計與高層剪力墻結構的優化[J].科技創新導報，2012（15）：44.

[4]熊源洲.建筑工程結構設計中的剪力墻設計分析[J].低碳世界，2017（15）.