建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念

吳樹明

（中交（廣州）鐵道設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州510290）

1 引言

剪力墻是建筑結(jié)構(gòu)體系中的關(guān)鍵組成部分，通過該類結(jié)構(gòu)的應(yīng)用能夠起到保安全、提品質(zhì)的效果。為充分發(fā)揮剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，需要切實(shí)做好前期的設(shè)計(jì)工作，以正確的設(shè)計(jì)理念為指導(dǎo)，精準(zhǔn)把控設(shè)計(jì)要點(diǎn)，合理選擇剪力墻的結(jié)構(gòu)形式并展開可行性論證，制訂完善可行的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，在此基礎(chǔ)上保證工程項(xiàng)目結(jié)構(gòu)的合理性。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)概述

2.1 剪力墻結(jié)構(gòu)的概念

剪力墻結(jié)構(gòu)隨著建筑行業(yè)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生，是基于傳統(tǒng)框架式結(jié)構(gòu)的衍生形式，以鋼筋混凝土墻體為主，并且逐漸取代了傳統(tǒng)的墻板，通過對(duì)尺寸的調(diào)整（加大厚度、減小寬度和高度）達(dá)到提高結(jié)構(gòu)抗壓性能的效果，發(fā)揮剪力墻結(jié)構(gòu)在建筑體系中的支撐作用，還可以能夠維持建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[1，2]。剪力墻結(jié)構(gòu)屬于墻面結(jié)構(gòu)，因其具有厚度大的特點(diǎn)，可發(fā)揮類似于柱狀結(jié)構(gòu)的支撐作用，有利于改善建筑的受力條件，確保其具有足夠的穩(wěn)定性與抗震性。

2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)的主要類別

隨著建筑行業(yè)科學(xué)技術(shù)水平的提高，剪力墻結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用越來越多，現(xiàn)階段其類型已經(jīng)頗為豐富，各自的應(yīng)用特點(diǎn)以及用途均有所不同，能夠滿足建筑的多元化建設(shè)需求，設(shè)計(jì)者可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理的選擇。通常，剪力墻結(jié)構(gòu)的類別主要有整截面墻、整體小開口墻、雙肢剪力墻結(jié)構(gòu)、壁式框架結(jié)構(gòu)4類[3]。具體做如下介紹：

1）整截面墻，其特點(diǎn)為墻面沒有洞口或洞口很小，其與傳統(tǒng)的懸臂結(jié)構(gòu)在功能上有類似之處。

2）整體小開口墻，主體部分呈曲面形式，門窗洞口稍大且成列分布，截面法向應(yīng)力稍偏離直線分布，可看作整體彎矩直線分布和墻肢局部彎矩應(yīng)力的疊加。墻肢的局部彎矩一般不超過總彎矩的15%，且墻肢在大部分樓層沒有反彎點(diǎn)。將其應(yīng)用于建筑中后可以達(dá)到緩沖建筑重量的效果，建筑的穩(wěn)定性得以增強(qiáng)。

3）雙肢剪力墻結(jié)構(gòu)，具有門窗開口尺寸較大的特征，開口數(shù)量多且均勻分布，開口兩端在抗壓能力方面具有一致性，結(jié)構(gòu)的受力更加均衡。

4）壁式框架結(jié)構(gòu)，以常規(guī)的框架結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，經(jīng)過變形處理后得到全新的剪切型結(jié)構(gòu)，其常應(yīng)用于樓層曲面部分，存在較突出的反彎點(diǎn)，尺寸普遍較大，可更好地與建筑墻體銜接，由此構(gòu)成嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)體系。

2.3 剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

相較于傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)，全新剪力墻結(jié)構(gòu)的綜合性能更為優(yōu)異，主要體現(xiàn)在承載能力強(qiáng)、材料用量少、抗震能力強(qiáng)3個(gè)方面。具體做如下分析：

1）承載能力強(qiáng)。剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可以大幅度提高建筑的承載能力和穩(wěn)定性，受損的概率較小。

2）材料用量少。剪力墻結(jié)構(gòu)的形態(tài)更為合理，建設(shè)期間所需的鋼筋等材料均有所減少，并且滿足美觀要求。

3）抗震能力強(qiáng)。在土地資源緊缺的背景下，高層建筑的建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，此類建筑的高度較大，在風(fēng)力、地震等外部因素的作用下容易失穩(wěn)。而剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可有效避免該類問題，提高建筑對(duì)外部環(huán)境影響的抵御能力。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

3.1 整體布局的應(yīng)用分析

整體布局設(shè)計(jì)為剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其對(duì)后續(xù)工作的開展具有統(tǒng)領(lǐng)的作用，一套科學(xué)的剪力墻布置方案能夠在一定程度上保證剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用效果，保證其抗震能力和抗壓能力。因此，在剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，需要充分考慮建筑的整體情況，選擇合適的剪力墻結(jié)構(gòu)布局方案。具體而言，應(yīng)遵循對(duì)稱性的原則，選擇合適的剪力墻結(jié)構(gòu)類型，使其滿足建筑設(shè)計(jì)要求。此外，需重視細(xì)節(jié)處理，如獨(dú)立墻肢的設(shè)置、洞口的處理等。

3.2 計(jì)算原則的應(yīng)用分析

剪力墻結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要考慮鋼筋和混凝土的型號(hào)選擇問題，充分發(fā)揮材料的性能優(yōu)勢(shì)。首先，應(yīng)根據(jù)剪力墻結(jié)構(gòu)的類型選擇合適的鋼筋材料，并對(duì)其抗彎性能、剛度等進(jìn)行分析，視實(shí)際情況做出調(diào)整；其次，考慮項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域的地質(zhì)情況，合理評(píng)估抗震等級(jí)，確定剪力墻結(jié)構(gòu)的配筋，選擇混凝土強(qiáng)度等級(jí)；最后，核對(duì)選擇的材料使用方法，進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，形成最優(yōu)材料使用方案。

3.3 參數(shù)確定分析

在剪力墻結(jié)構(gòu)的參數(shù)確定過程中，應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)的厚度、寬度以及長(zhǎng)度。一方面，以建筑設(shè)計(jì)要求為導(dǎo)向，以剪力墻結(jié)構(gòu)能夠正常使用為基本目標(biāo)，選擇合適的剪力墻結(jié)構(gòu)類型，再確定與之相適應(yīng)的各性能參數(shù)，既要保證各項(xiàng)參數(shù)數(shù)值的合理性，又要達(dá)到數(shù)值間無沖突的效果，從而規(guī)避建筑脆性過大等問題；另一方面，從建筑美學(xué)的角度進(jìn)行參數(shù)分析，并在許可范圍內(nèi)適度優(yōu)化，提高墻面分布的均勻性，保證整體結(jié)構(gòu)具有較好的觀感，以滿足業(yè)主以及公眾對(duì)建筑美學(xué)提出的要求。

4 剪力墻結(jié)構(gòu)規(guī)范化的調(diào)整原則

4.1 最小剪力系數(shù)的調(diào)整原則

在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，抗震性為重點(diǎn)考慮目標(biāo)，應(yīng)采取設(shè)計(jì)措施提高建筑的抗震性能，保證建筑的穩(wěn)定性。在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)適當(dāng)減少墻肢，加大剪力墻結(jié)構(gòu)的間距，以提高剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能，并保證建筑主體的穩(wěn)定性，并且在采取大間距的剪力墻結(jié)構(gòu)布置方式后，可更好地維持墻體的抗側(cè)壓能力。

4.2 樓層間最大位移的調(diào)整原則

剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，還應(yīng)采取調(diào)整措施減小樓層間的最大位移和最大變形。為避免樓層出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形問題，需要合理設(shè)定其最大位移量，減小剪力墻結(jié)構(gòu)在墻體發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)所承受的壓力，減小外部壓力對(duì)結(jié)構(gòu)帶來的不良影響，以免在外力的作用下而發(fā)生建筑結(jié)構(gòu)塌陷等事故。

4.3 剪力墻連梁超限的調(diào)整原則

除了要調(diào)整剪力墻的最小剪力系數(shù)以及樓層最大位移，還需要充分考慮與剪力墻連接的梁體超限問題，其也會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來影響。若剪力墻的高度較小，會(huì)導(dǎo)致建筑的連梁結(jié)構(gòu)由于失穩(wěn)而發(fā)生坍塌，且此現(xiàn)象在連梁自重較大或所受作用力較大的情況下最容易發(fā)生。為全面維持連梁的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，要求其跨高比控制在2.5以內(nèi)，具體視建設(shè)要求以及實(shí)際建設(shè)條件調(diào)整，此條件下的建筑結(jié)構(gòu)更易于維持穩(wěn)定。

5 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的優(yōu)化措施

5.1 轉(zhuǎn)角窗剪力墻的設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

轉(zhuǎn)角窗剪力墻的優(yōu)化可以采取以下措施：（1）用鋼筋固定轉(zhuǎn)角窗的兩側(cè)，維持轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；（2）加大轉(zhuǎn)角窗周邊樓板的厚度，以免在轉(zhuǎn)角窗自重過大的情況下影響其抗震性能；（3）加強(qiáng)對(duì)轉(zhuǎn)角窗與周邊墻體的處理，可以在二者間增設(shè)防護(hù)結(jié)構(gòu)，并對(duì)結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行優(yōu)化，例如，可適當(dāng)增加連梁結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼筋，提高連梁的受力性能，以免在后續(xù)使用過程中發(fā)生轉(zhuǎn)角窗受損扭轉(zhuǎn)、墻體脫落的現(xiàn)象。

5.2 連梁的設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

剪力墻與建筑主體間的連接需依托連梁結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)，若連梁局部受到損傷，將難以發(fā)揮連接的作用，從而影響剪力墻及建筑主體的穩(wěn)定性，并嚴(yán)重破壞建筑結(jié)構(gòu)的受力性能。針對(duì)該問題，一方面需要以建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為出發(fā)點(diǎn)，切實(shí)提高連梁的強(qiáng)度，確保該結(jié)構(gòu)在與剪力墻連接時(shí)能夠充分發(fā)揮作用；另一方面，適當(dāng)增加連梁的裕度和韌度，提高連梁的抗壓能力，避免在使用期間出現(xiàn)折斷問題。

5.3 剪力墻結(jié)構(gòu)布置的優(yōu)化措施

在剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過程中，需要充分考慮結(jié)構(gòu)類型、材料類型以及用量關(guān)系、剪力墻結(jié)構(gòu)與周邊乃至建筑整體結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)關(guān)系等，提高細(xì)部結(jié)構(gòu)與建筑整體的協(xié)調(diào)性，否則容易出現(xiàn)剪力墻結(jié)構(gòu)偏移的情況。由于建筑結(jié)構(gòu)的類型多樣，需要根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)合理調(diào)整剪力墻的墻腳間距，目的在于提高建筑主體的抗壓能力，維持穩(wěn)定性。

6 結(jié)語

綜上所述，剪力墻是建筑結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵組成部分，合理應(yīng)用該結(jié)構(gòu)有助于提高建筑的質(zhì)量，從而維持建筑的穩(wěn)定性，改善人居環(huán)境。但剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工作，同時(shí)具有較高的精細(xì)化水平，因此，需要在科學(xué)設(shè)計(jì)理念的引導(dǎo)下展開設(shè)計(jì)。本文探討了剪力墻的設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)要點(diǎn)、優(yōu)化措施等內(nèi)容，希望可為同行提供參考，以提高業(yè)內(nèi)剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平。