建筑剪力墻結構優化設計研究

黃蕊 泰安市精致施工圖審查有限公司

1 前言

剪力墻是現代高層建筑設計中一個重要的結構形式，已經在高層建筑、超高層建筑乃至摩天大樓中得到了廣泛應用。除了常規的建筑結構特性之外，剪力墻本身具有很強的抗風性、抗震性，是增強建筑主體結構穩固性的一個重要結構。但是剪力墻結構設計本身兼有專業性與復雜性特征，需要立足于整體建筑建設現況開展設計，力求全面提升建筑設計的有效性。

2 建筑剪力墻概述

2.1 概念分析

剪力墻也被稱作結構墻或抗震墻，主要是指建筑物或構筑物中承受地震作用或風荷載等作用所引起的豎向荷載與水平荷載的墻體結構，可以避免結構出現受剪破壞。當下的剪力墻結構主要以鋼筋混凝土材料為主，主要可以劃分為筒體與平面兩種形式，其中后者主要用于高層建筑物或構筑物中，是由樓梯間、電梯間、設備間以及輔助用房幾部分的間隔墻所共同構成，可以對水平荷載進行有效承載；后者則可以用在無梁蓋板與剛砼框架結構等中，主要是為了增加主體結構的抗倒塌能力、強度與剛度而存在的。

2.2 特征分析

鑒于剪力墻結構本身的類別會直接影響我們設計剪力墻的效果，所以在優化設計剪力墻結構之前需要對其種類進行界定，具體可以劃分成如下幾個類別：

①整截面墻。該種剪力墻主要是指墻面上不設置洞口結構或者所設置的洞口面積占墻總面積比值不大于16%，且洞口長邊尺寸比洞口凈距以及墻邊與洞口二者之間的凈距更小。該種類型的剪力墻本身受力情況類似于整體式懸臂構件，相應的向應力通常需要依據線性分布。為了更好地發揮其受力性能，設計人員在開展設計期間需要注意在墻肢兩端部位處來設置豎向鋼筋。

②整體小開洞墻。該種類型剪力墻在墻面上的開洞口面積要大于整截面墻，且其洞口布設方向是采取按列布設的方式進行上下對齊布設，這樣可以形成比較明顯的連梁和墻肢結構，并且它們本身的剛度分布也比較均勻，這樣可以更好地保證整體的設計效果。

③聯肢墻。該種剪力墻墻面上的窗口占比更大，一般超過了16%的總墻面比例，且相應的洞口采取豎向排列設置方式，主要借助連梁來對各個墻體進行有效連接。其中的墻肢本身具有顯著的應用作用，并且會在連梁中間部位處形成反彎點，在實際的設計過程中需要對該部位的受力進行科學分析，保障該部位的承載力等力學性能可以滿足剪力墻的實際使用需求和規定，確保其抗震、抗風及承載等滿足規定要求。

3 建筑剪力墻設計的原則

在設計剪力墻的過程中，為了確保整體設計的效果，保證剪力墻設計過程可以遵從科學、有序、合理等基本設計思路，采取恰當的設計原則開展設計，保證可以最大程度提高剪力墻設計的效果與效率，具體的設計原則要點如下：

①要確保剪力墻結構滿足力學性能、使用性能以及位移限制等基本要求，確保其安全性的同時，提高其使用的性價比。比如，適宜采取規則、簡單的剪力墻布設方式，并按照雙方向進行布設，且兩個方向上設置的剪力墻剛度差異不可過大，否則容易出現比較嚴重的扭轉問題。

②在滿足①這一設計原則的基礎上，還要注意盡可能地縮減剪力墻結構的設計數量。但是要保證所設計的剪力墻結構數量滿足基本振型地震作用下的承載以及受力等基本要求和規定，如要保證其承受的地震傾覆力矩不高于1/2剪力墻結構本身的總地震傾覆力矩。

③要確保剪力墻結構本身承受的剪力不小于20%的總剪力。

④剪力墻結構本身的長度不宜過大，且應該在長度比較大的剪力墻上面開設洞口，并將其劃分成長度比較均勻的若干個墻段，墻段之間借助若連梁進行科學連接。但是最長的剪力墻墻長長度不宜超過8m。

⑤剪力墻設計中適宜首先在建筑外墻周邊，以及電梯或樓梯井筒位置處進行布設。

⑥在布設剪力墻上面的窗口時，設計人員要采取成列布設方式，確保上下部的窗口位置對齊，避免錯洞造成剪力墻上下傳力不連續問題。

⑦在布設剪力墻期間，設計人員要依據房間布局的實際情況順著2個軸線方向進行布設，且適宜設計為十字型、L型和T型等等。

⑧除了上述基本設計原則之外，在還要注意考慮剪力墻結構設計的經濟性能，確保整體工程造價可以得到有效控制。

4 建筑剪力墻設計的優化策略

4.1 做好結構均衡優化設計

結構均衡設計會對最終的結構設計效果產生極大影響，所以設計人員在開展剪力墻結構設計期間需要做好結構均衡優化設計，即要保障所設計的剪力墻結構整體受力的均衡性，避免出現局部受力情況，否則會對最終的結構設計效果帶來不利影響，這是確保剪力墻結構整體安全性的重要保障，同時該種均衡設計方式也可以更好地節約工程造價成本。在開展剪力墻結構均衡優化設計過程中，設計人員需要結合建筑實際平面布局情況來確定最佳的剪力墻結構優化實際方案，同時在對剪力墻結構方案進行優化設計的基礎上，還要進一步制定滿足基本設計要求和規定的管理條例，密切監督與檢查剪力墻結構在后續施工階段的實際情況，一旦發現不符合現場施工的情況，就需要及時反過來對剪力墻結構進行再次優化設計，力求全面確保所設計剪力墻結構的質量，使其可以均衡受力，避免因為不均衡受力而出現破壞問題。

4.2 做好結構方案優化設計

在開展剪力墻結構設計實踐中，為了為后續的剪力墻結構設計提供可靠、明確的指導，必須要立足整體視角來對結構方案進行優化設計，具體要點如下：①在設計剪力墻結構期間，方向上適宜順著主軸方向開展雙向布設剪力墻的方式，力求可以有效增強剪力墻空間結構本身的完整性；針對具有抗震性要求的剪力墻結構，要盡量避免采取單向設置剪力墻的結構，并且在不同受力方向上設置的剪力墻抗側剛度需要盡可能地保持一致，這樣才能更好地額確保建筑內部空間結構整體穩定性。在確保剪力墻結構本身的承載力與抗側剛度滿足上述設計要求的基礎上，可以繼續優化設計剪力墻結構，即做好剪力墻結構重量的縮減，以此優化設計思路可以更好地增加內部建筑機構可以利用或使用的空間量。②如果面向于剪力墻的墻肢結構進行優化設計，那么相應的截面設計適宜保持規則性和簡單性，借助這種優化設計思路可以有效確保剪力墻結構方案設計的效果，從而可以為后續的結構設計夯實基礎。

4.3 做好墻體配筋優化設計

在優化設計墻體配筋的過程中，需要立足于增強剪力墻結構穩固性與可靠性視角，靈活地選擇恰當的設計方案，具體要點包括：①要優選高質量、高性能的材料。如在選擇鋼筋材料期間，要保證其整體使用質量的基礎上，將垂直鋼筋和水平鋼筋分別合理地設計在剪力墻結構內部和外部，這主要是因為地底下的墻體配筋量要比其他幾個部分更多，并且地下的土壓和水壓使得相應的壓力更強。②在對剪力墻結構配筋率進行設計期間，一般可以依據工程測算和建議標準的最小配筋率進行即可，這樣即可確保整體剪力墻結構設計的穩定性與安全性。與此同時，通過優化設計剪力墻結構的鋼筋配筋率，也可以最大程度減少工程建設投資成本。③在確定剪力墻結構的厚度期間，不必嚴格依據最小厚度是200mm 這一規定。如果在滿足基本結構設計要求和規定的基礎上，靈活地選用160mm 和180mm 厚度尺寸的剪力墻，同時還要注意對剪力墻結構的高度進行合理設計，力求全面提升剪力墻結構中的配筋設計效果。

4.4 做好剪力墻連梁的優化設計

在建筑剪力墻優化設計過程中，依據高層建筑的相關設計規程和技術要求可知，如果連梁本身具有不同的高跨比，那么其截面所受到不同的剪受承受力，所以在實際的剪力墻設計重要注意對連梁進行塑性調幅處理，力求可以實現對低剪力設計值進行減小的目標。而在實際的連梁優化設計實踐中，可以采取如下兩個方法進行確定：其一，在內力計算之前，要首先對連梁的剛度進行折減；其二，在計算內力之后，可以將連梁彎矩和剪力二者的組合值同相應的折減系數進行相乘。無論采取上述哪一種連梁設計方法，都要注意保證剪力值不小于相應的使用值，否則在地震作用下非常容易誘發裂縫問題，影響剪力墻結構整體的穩固性與安全性。

4.5 做好剪力墻底部加強部位的優化設計

為了確保整體剪力墻結構設計效果，其中底部部位占有非常重要的地位，會對整體剪力墻結構穩固性產生極大影響，所以設計人員也要注意優化設計底部加強部位。通常而言，在對底部加強部位的高度進行設計期間，可以選擇嵌固部位之上1/10 墻肢總高度與底部兩層高度當中的較大值；如果建筑底部設計有轉換層，那么在設計剪力墻底部加強部位的過程中，可以使對應的高度值確定為框支層加上框支層以上2層的高度或者1/10墻肢總高度二者當中較大值。通過這種底部加強部位高度設計方式，可以更好地確保所設計剪力墻結構的穩固性和可靠性，避免因為底部加強部位設計不合理而危及其使用的安全性。

4.6 做好其他關鍵結構部位的優化設計

除了上述剪力墻結構優化設計部分之外，為了進一步提高剪力墻結構優化設計的效果，還要重點做好如下幾個方面的結構優化設計工作：①合理設計層間最大位移及層高比。基于相關設計規定可知，剪力墻結構設計的一個重要作用就是對樓層間的剪切或扭轉變形進行控制，這時候設計人員可以采取對豎向構件數量進行控制的方式。否則如果沒有進行合理設計，那么必然會誘發更為嚴重的扭轉變形。因此，設計人員可以采取設計偶數數目的豎向構件的方式來降低扭轉變形問題發生概率。②在設計樓層最小剪力系數期間，設計人員需要參照設計規范和要求，對剪力墻的設計數量進行控制，一般可以通過減少剪力墻結構設計數量，并增大剪力墻布設開間的方式來增大剪力墻結構本身的側向剛度，力求可以降低地震作用對建筑結構安全性帶來的不利影響。

總之，剪力墻結構是確保建筑結構整體穩固性、可靠性與安全性的一個重要結構形式。在剪力墻結構優化設計過程中，需要嚴格按照設計規范和要求，遵從科學性、經濟性等基本結構優化設計原則，切實做好連梁、墻體配筋、底部加強部位等關鍵部位的優化設計工作，力求全面提升剪力墻結構優化設計效果。