建筑結構設計中剪力墻結構設計的應用分析

馮玉敏

山東省菏澤市建筑規劃設計研究有限公司 山東 菏澤 274000

1 剪力墻結構的優勢分析

剪力墻結構最主要的優勢在于美觀、穩定性強、經濟性高。其中，穩定性強來源于剪力墻較強的剛度與承載力，可以有效抵御外部荷載，對于水平荷載的抵抗作用更為明顯，因此，剪力墻結構設計能夠有效加強建筑整體的穩定性，這也是剪力墻結構應用最主要的優勢。經濟性高指的是剪力墻通常會選擇混凝土澆筑的施工方法，能夠在保證剪力墻綜合性能與作用的基礎上降低鋼材的用量，因此成本投入較少，這也是剪力墻結構獲得廣泛應用的優勢之一。美觀性是在經濟快速發展、人們對生活質量的追求越來越高的背景下對建筑建設的要求發生了轉變，剪力墻結構可以將建筑內部分隔墻和承重墻有效結合，特別是隔斷墻設計，能夠留余更多的建筑內空間，提高使用功能的同時也提高了整體的美觀性[1]。

2 剪力墻在高層建筑中的應用

2.1 剪力墻結構中的應用

有些房屋的剪力墻自建筑基礎至屋頂沒有被打斷稱為全部落地剪力墻結構。這是剪力墻最常見的一種結構體系。全部落地剪力墻是單一的抗震防線，因此相關國家規范中對其位移角的要求最嚴格。相對全部落地剪力墻結構，部分框支剪力墻結構由于框支框架的存在，其實先天性存在豎向抗側力構件不連續這一項不規則類型。由于其豎向和水平向的力學復雜性，在分析其受力時，一般要求采用更為復雜的計算方法。首先進行常規的振型分解反應譜法得出位移、底部剪力等結果，與采用彈性時程分析方法相比，若后一種方法計算出的結果大，要按比例提高振型分解反應譜法中地震剪力。在罕遇地震作用下轉換部位是薄弱部位，為保證大震不倒要滿足彈塑性變形要求。對框支框架一般要采用有限元法分析轉換梁與剪力墻的共同受力。

2.2 框架-剪力墻結構中的應用

根據框架和剪力墻分擔的在規定水平力作用下的地震傾覆力矩與結構總地震傾覆力矩的比值不同，確定不同的設計方法。當比值不超過10%時，框架不具備形成二道防線的能力，一般按剪力墻結構進行設計。而框架部分應按框架-剪力墻結構中的框架進行設計。當比值超過10%且不超過50%時，這是典型的框架-剪力墻結構。當比值超過50%且不超過80%時，也可按框架-剪力墻結構進行設計。當比值超過80%時，其受力性能更接近框架結構。在典型的框架-剪力墻結構中，存在著2道抵抗地震力的防線，即剪力墻和框架分別扮演著抵抗地震力的第一和第二道防線的角色。由梁柱組成的框架抗側剛度明顯小于剪力墻的抗側剛度，其間存在數量級的差別。特別是在罕遇地震作用下，剪力墻首先出現屈服破壞，框架單獨工作的狀態。房屋設計時，水平力不是讓框架和剪力墻按提供抗側剛度的比例分配，而是有意識地保證剪力墻抵抗相應水平力的同時，保證框架結構有足夠的在剪力墻失效時抵抗水平力的能力，實現大震不倒的目標。

2.3 板柱-剪力墻結構中的應用

板柱-剪力墻結構和框架-剪力墻結構有許多相似之處。主要差別在于板柱-剪力墻結構中某些部位不設置框架梁通過厚板來傳遞水平和豎向力。厚板與梁相比力學性能要差一些。在抗震設計上，板柱-剪力墻結構抗震計算與構造比框架-剪力墻結構要嚴格。高規中要求板柱-剪力墻結構中的剪力墻能抵抗超過80%相應方向的風荷載引起的水平剪力，并且能抵抗相應方向的全部地震剪力。板柱部分承載力要求提高到可抵抗超過20%相應方向的地震剪力。一般分析方法可采用振型分解反應譜法，但要滿足罕遇地震作用下的薄弱層彈塑性變形驗算[2]。

2.4 筒體結構中的應用

筒體結構結構形式很獨特，具有結構抗側剛度大、整體性強、受力合理、使用靈活等許多優點，比較適合更高的高層建筑。特別是在B級高度房屋中應用廣泛。筒體結構最常見的為框架-核心筒和筒中筒。一般高度不超過60m的框架-核心筒受力性能與框架-剪力墻十分接近，所以一般允許按照框架-剪力墻結構進行設計。高度超過60m的框架-核心筒，其受力性能有別于框架-剪力墻。此時也可按照兩道抗震防線的理念進行設計。但剪力墻圍合而成的核心筒的抗側剛度要比框架-剪力墻中分散設置的剪力墻的抗側剛度大很多，框架-核心筒的二道防線設計也有別于框架-剪力墻。特別是框架部分承擔的地震剪力標準值的最大值與結構底部總地震剪力標準的比值不到10%時，提高框架作為二道防線所分配的地震剪力，同時也要提高核心筒抗震承載力。筒中筒是指由鋼筋混凝土剪力墻圍成的外筒和內筒。或同時存在外圍的密集布置的柱和大截面的框架梁組成的框架筒體與剪力墻結構圍合而成的核心筒體。其設計思路接近剪力墻結構，但剪力墻圍成的筒體結構空間受力性能更強，抗側剛度會顯著優于普通剪力墻。在筒體剪力墻的構造上要求也更高。筒體結構工程應用中一般是超限的，需報超限審查。分析方法除一般的如振型分解反應譜法、彈性時程分析法補充計算等外，要依據超限專家組給出的意見進行其他有針對性的計算方法和構造要求。

3 高層住宅結構剪力墻優化設計改進方案

3.1 優化剪力墻平面分布

合理的剪力墻平面分布可以提高建筑的穩定性，在抗風、抗震等方面有很大的意義。剪力墻的平面分布設計可以優化：①保持剪力墻表面平整，平整的剪力墻可以保證受力均勻，減少壓力突然變化引起的建筑物不穩定；②減少剪力墻平面外彎矩，可以通過添加輔助墻肢、扶壁柱等結構來緩解外彎矩帶來的負面影響；③保證剪力墻對稱分布于高層建筑中心軸的兩側，提高建筑的抗側力、降低建筑的扭矩，提高抗震能力；④對于不同的層數設計不同的剪力墻剛度，提高建筑物的承載力[3]。

3.2 保證剪力墻的延展度

在高層建筑中，容易遇到需要配備較高剪力墻的情況，如果剪力墻延展度不高、彎曲性能差會導致建筑不穩定，因此，可以采用易于延展的具有一定彎曲性的剪力墻來提高建筑的穩定性和機械強度。

3.3 盡量使用長度合理的剪力墻

實際應用中，盡量減少短肢墻的使用不僅可以降低施工難度，而且可以充分利用剪力墻的抗側移能力，并且，減少短肢墻的使用可以降低需要的鋼筋數量、節約成本。

3.4 合理設計剪力墻剛度分布

剪力墻的剛度分布對于高層建筑的抗扭轉性和抗側力十分重要，因此，應該盡量保證建筑四周剪力墻剛度高、建筑中間剪力墻剛度低。并且，應該增加建筑周圍的剪力墻數量、降低電梯間區域剪力墻數量，以提高結構的整體剛度、抗側翻能力、位移比等關鍵參數[4]。

3.5 采用合理的剪力墻形狀

形狀復雜的剪力墻會造成受力分析復雜、施工困難等問題，實際設計中應盡量減少使用，同時，一字型剪力墻抗震能力低，平面外穩定性容易被破壞。因此，應該采用合理的剪力墻形狀，盡量使用L形或T形剪力墻保證墻體良好的穩定性、充分發揮鋼筋的承重能力。

3.6 優化剪力墻搭配鋼筋比例

鋼筋是剪力墻結構的核心成分之一，也是剪力墻承重的主要材料，在進行高層住宅結構剪力墻優化時，應該重點考慮對鋼筋配比的優化。

3.7 采用高強度材料

鋼筋混凝土是當今剪力墻結構的主要組成材料，但是其具有重量大、成本高等特點，在保證結構安全的前提下，可以增加對高強度鋼筋混凝土的使用，以減少單位承重力需要的材料數量、減小結構尺寸，此外，在隔墻等結構上適當采用輕質墻板等材料可以進一步減小樓體重量，是降低成本的有效措施[5]。

4 結束語

隨著建筑高層化的發展，剪力墻結構的應用將會越來越廣泛，而在建筑結構設計中應用剪力墻結構時，如何進一步加強剪力墻結構的質量，改善剪力墻結構體系則成為當下需要解決的問題。設計人員需要在設計中進行創新和優化，積極借鑒國內外剪力墻結構設計的先進理念、技術、經驗，根據項目的實際情況靈活調整，以確保剪力墻結構設計的可行性。