建筑結構設計中剪力墻結構的概念理解及優化措施

趙鑫

（太原市建筑設計研究院，山西太原 030002）

剪力墻屬于建筑結構設計中比較關鍵的組成部分。采用剪力墻結構，既可以滿足建戶型空間構的各項需求，又可以優化建筑結構的各項性能，提高建筑施工效率和質量。結構設計師在設計實踐過程中，需結合我國建筑行業特點，多總結，對設計中存在的具體問題給予解決，加深對剪力墻結構形式的理解，合理優化剪力墻結構布置，以此充分發揮剪力墻的優勢，增強建筑結構設計的整體效果。

1 剪力墻結構概述

在建筑結構以及附屬物中，剪力墻結構是代替框架結構梁祝的鋼筋混凝土墻板，水平力和豎向力則由剪力墻承受。其由墻身、墻柱、墻梁共同組成（見圖1）。其設計的初衷是提高建筑結構的荷載能力和穩定性，避免在建筑物施工過程中遭到外力破壞，延長其使用壽命。剪力墻結構與其他結構形式相比，具有抗震性能優越、抗側剛度高、用鋼量較小等特點，廣泛應用于高層住宅、公寓、酒店等建筑隔墻位置固定且空間要求較小的建筑項目中。

圖1 剪力墻結構組成

2 對剪力墻結構部分概念的深化理解

2.1 剪力墻結構體系的深化理解

高層剪力墻結構體系可以類比成一根豎向截面箱型的懸臂梁。即高層剪力墻結構可以認為是從其自身地基上升起的豎向懸臂構件，承受著水平荷載（風、地震）和豎向荷載（恒活荷載），對于高層建筑結構，由于其受力的本質是懸挑，高層建筑結構受水平荷載（風、地震）的影響要大于豎向荷載的影響（底部彎矩與高度是正比平方的關系），此處是區別于多層建筑結構的地方。鑒于此，高層剪力墻結構的抗側力構件肯定區別于多層框架結構，剪力墻平面內的剛度很大，是高層剪力墻結構中最重要的組成構件，我們利用建筑專業給定的墻體，布置剪力墻，因此從受力上講，剪力墻實質就是一個平面內受力的懸挑梁。

2.2 連梁的深化理解

平面內，兩端與剪力墻相連的梁，被稱為連梁。一般在風荷載和地震荷載的作用下，連梁的內力往往很大。連梁是保證建筑安全的第一道防線，通過讓梁形成延性破壞的方式達到耗能的效果。連梁跨高比越小，墻體聯系越強，共同受力越好；可是連梁分配的彎矩和剪力越大，容易發生脆性破壞。跨高比大當然延性好，但降低了整體共同抵抗作用。因此在設計中，如果剛度有富裕，連梁設計得弱一些，協調變形能力和延性增強，也能避免超筋。一般來說，弱連梁可以保證塑性鉸首先出現在連梁的兩端，通過塑性鉸繼續傳遞彎矩和剪力，增加結構延性，消耗地震能量，延緩墻肢破壞，使剪力墻保持足夠的剛度和強度，對結構抗震是有利的。同時也要注意，梁截面也不能設計太小，要保證能夠承受地震作用所產生的彎矩和減力。

2.3 短肢剪力墻的深化理解

圖2、3、4 為不開洞剪力墻、雙肢剪力墻與短肢剪力墻三種情況下結構的彎矩簡圖。由圖2、3、4 可知，不開洞剪力墻彎矩為平滑曲線沒有反彎點，整體變形為彎曲型；雙肢剪力墻彎矩為鋸齒狀，但也未出現反彎點，此時連梁起著連接墻肢，保證墻體整體穩定性的作用；短肢剪力墻的齒狀狀彎矩更嚴重，會出現反彎點，此時連梁將不再作為連梁，應看作框架梁，很難起到保證墻體穩定的作用，結構的變形特性類似于框架，表現在計算結果上就是層間位移角很難滿足規范要求。因此，有以上分析可知，剪力墻的受力特點與洞口的大小有關，與連梁的剛度有關。連梁與墻肢的線剛度比值決定著反彎點是否出現，當墻體開洞過大且墻肢高厚比很小時（即短肢剪力墻存在過多時），墻肢剛度被過分削弱，導致出現反彎點。因此《高規》條文說明指出：剪力墻和其開洞所形成的連梁，兩者組成的結構則是剪力墻結構，彎曲型變形是其變形的特點之一。目前，大跨高框架梁聯系的剪力墻已經成為都不分結構體系的首選形式。這樣的結構雖然剪力墻較多，但是，雖然這種結構與框架結構想，其受力和變形特征選對類似，但是仍然很難避免多層數抗震過程中遇到的問題。

圖2 剪力墻不開洞彎矩

圖3 雙肢剪力彎矩

圖4 短肢剪力墻彎矩

3 在剪力墻結構設計中的優化措施

3.1 剪力墻墻肢對齊優化布置

高層剪力墻結構中。在抗側移構件中，剪力墻構件十分重要，同時需要在實際設計過程中充分體現墻肢之間的聯動效用。因此，在結構設計過程中，應該均勻布設統一方向墻肢，讓平面上能形成聯肢剪力墻共同協作的效果，控制剪力墻錯位布置的出現。

如圖5、圖6 所示的某32 層高層剪力墻住宅結構，平面Y 向墻肢存在錯位布置的情況（圖5 框起部分的墻肢）。優化調整措施為增加邊戶型Y 向剪力墻墻肢，同時減少中戶型Y 向不連續墻肢且增加連續墻肢，形成6 道聯肢剪力墻，從而同樣剪力墻面積情況下，優化對齊布置的計算模型Y 剛度可增加20%左右。

圖5 優化前剪力墻

圖5 優化后剪力墻（增加Y 向連續墻）

3.2 剪力墻墻肢均勻優化布置

滿足結構抗側移剛度以及豎向荷載需求是高層建筑結構的基礎，另外也需要然后結構具有抗扭轉剛度。在設計工作中，可以通過加強外圈梁以及周邊剪力墻的方法，對結構平面幾何形心進行調整，同時也能調整質量中心、剛度中心的作用，實現“三心”重合。

如圖7、圖8 所示的某26 層高層剪力墻住宅結構，平面存在周邊墻肢少中部墻肢多，不均勻布置的情況（圖7 中框起部分的墻肢），導致位移雖滿足計算要求，X 向平動、扭轉、Y 向平動分別是第一、第二、第三振型。優化調整措施為增加邊戶型Y 向墻肢4道，同時減少中戶型Y 向墻肢2 道，以此增加周邊墻剛度，優化均勻布置的計算模型第二振型變為Y 向平動，滿足規范要求。

圖7 優化前剪力墻

圖8 優化后剪力墻（增加周邊剪力墻）

3.3 剪力墻優先采用帶翼緣墻

L 形、T 形的剪力墻本身具有十分良好的穩定性，這是由于其墻肢端部的翼緣墻起到扶壁作用，另外在框架梁搭接在剪力墻端部時對于鋼筋錨固長度也有一定的要求，這種剪力墻也能有效滿足。那么，如果在結構布置過程中選用這兩種剪力墻，能夠有效控制器翼墻長度，進而控制配筋數量。但剛度也較小。因此在設計中宜多比較試算，確定合理的翼緣墻長度。

4 結束語

綜上所述，在建筑結構設計過程中，剪力墻結構得到廣泛應用，為了更好地發揮剪力墻結構特點，就需要結合建筑結構特點來合理選擇剪力墻結構體系，以后在優化剪力墻平面布置、合理連梁配置、避免使用短肢剪力墻等方面合理設計，這樣既能夠優化建筑結構剪力墻設計的效率，還能減少工程成本，提高戶型使用效率。