剪力墻結構設計在建筑結構中的應用探析

王 展

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730000）

隨著國民生活水平提高，建筑行業開始積極探索建筑結構新方向，剪力墻就是積極探索出的成果之一。由于剪力墻結構具有極好的抗風、抗震能力，目前已經成為沿海或地震易發地區的高層建筑優先選擇。此外，剪力墻結構具有較大的剛度，且墻體布置靈活，適于當前高層建筑的發展需求。設計人員應在建筑結構設計過程中掌握剪力墻的設計重點，才能在項目建設過程中最大化發揮剪力墻的應用價值[1]。

1 剪力墻結構的總體設計

對于有抗震要求地區的建筑，剪力墻應采用橫縱向雙向布置。根據建筑功能的要求，合理布置剪力墻的數量、位置和長度，從平面整體來看橫縱雙向剪力墻的剛度宜相近。同時，墻體布置應以均勻、對稱、分散等原則分布，保證墻體受力均勻，通過合理布置洞口、墻肢長度、高度等方式，使墻體的剛度中心盡可能地接近建筑物的質量中心，從而達到降低扭轉效應的目的[2]。

剪力墻結構應自上而下連續設置，避免出現剛度突變，門窗洞口應盡量對齊設置。在空間整體計算分析中，需考慮墻體的拉壓、彎曲、剪切、扭轉過程中產生的變形以及建筑結構的整體穩定，在計算過程中要正確判斷嵌固端的位置。在墻肢布置時，應合理控制短肢剪力墻的比率，避免出現過多的短肢剪力墻。在墻肢設計中，可采用剛度較小的弱連梁，或增加墻體的間距，分散排布墻體，以此來保證墻體受力均勻、可控[3]。

剪力墻可以分為整體墻、小開口墻、聯肢墻、壁式框架墻等。

（1）整體剪力墻具有本身穩定性強的特點，且具有很強的抗拉和抗壓能力。其中，有些墻上的洞相對較大，但總體數量很少。在應力作用下，遇到較大的水平荷載，需增大剪力墻的高度和寬度，以避免墻體出現截面變形。在日常使用過程中墻壁局部仍可能出現較大變形，但整體符合剪力墻的相關要求，在線性應力作用下，剪力墻保持安全和穩定。

（2）小開口墻在剪力墻結構中也很常見。如果剪力墻的孔洞面積持續變大時，它會形成一個小的開放墻體。荷載作用會使小開口的剪力墻結構受到影響，墻肢會出現法向應力，這些法向應力規則分布。荷載作用下，剪力墻的彎曲應力和主應力相互疊加，形成小開口剪力墻。

（3）聯肢墻類似小開口剪力墻，只是剪力墻中孔洞更多，如果洞口連接位置的強度比例較小時，在荷載作用下，連接位置會出現一個反彎點。在這個結構中每個墻肢都是獨立的個體，獨立承擔作用。這些獨立的墻肢個體相互連接形成聯肢剪力墻。

（4）壁式框架墻是剪力墻中孔洞最大的墻。墻洞越大，墻肢獨立性越強，如果孔洞連接位置強度較大時，剪力墻的應力也會發生改變。壁式框架墻與框架結構具有相似性，在荷載作用下截面會出現彎矩。

2 剪力墻的布置原則

第一，洞口對齊。在設計過程中，建筑與結構專業應多溝通、配合，在整體建筑風格等上，結構滿足建筑的要求。在細部洞口設置等問題上，建筑應盡量滿足結構專業的要求，保證結構受力合理。沿立面方向，上方樓層與下方樓層的洞口進行一一對應，避免剛度發生突變，確保結構的抗震能力。剪力墻墻肢的斷面應盡量簡單、規則，不宜將單片剪力墻長度設置的過長。

第二，橫縱布設。從歷年震后建筑物的破壞情況來看，通過橫縱雙向設置剪力墻結構，可以保證雙向墻體都具備足夠的抗震能力，提高房屋的抗震水平。在前期平面方案布局中，建筑專業應充分考慮剪力墻的設置位置及長度，確保橫縱向剛度保持平衡，最終達到建筑物在兩個主軸方向具有相近的自振周期的目的。

第三，上下貫穿結構。為避免在地震作用下，建筑中剛度較弱樓層的結構構件因剛度突變發生破壞，設計人員對建筑物的剛度進行整體把控，根據樓層的不同層高，對各樓層剛度進行逐步調整，避免發生剛度突變。有時因建筑功能要求，頂層需要設置大開間而需要將部分剪力墻去掉時，在方案布置時應盡量將大開間功能的房間布置在建筑物的中部，以減小對整體結構的影響。

第四，不宜過長。通過合理設置洞口，將較長的剪力墻劃分為剪力墻加連梁的形式，避免墻體發生剪切破壞。弱連梁的跨高比應按照不小于5 進行控制，各個洞口之間會通過“弱梁”才形成整體。

第五，靈活適配。在選擇剪力墻作為結構抗側力構件時，需要結合建筑實際情況，比如建筑高度、平面形狀、建筑功能等進行靈活布置。由于剪力墻結構對墻體之間的間距有一定要求，所以在實際應用中不太適用于對空間要求較大的建筑結構。

第六，控制墻體外彎矩。剪力墻可以看作是單向抗側力構件，其平面內具有較大的結構剛度，但平面外結構剛度就比較小，在平面外承受荷載的時候，需通過設置連梁、暗柱、扶壁柱等措施，確保傳力體系完整。目前，常用的構造主要有以下幾種：（1）與連梁同向，設置剪力墻。（2）在適當位置增設壁柱、暗柱或型鋼等。（3）將連梁、墻體連接節點設計成鉸接形式，避免產生平面外彎矩。

3 剪力墻結構的設計

3.1 基礎方案設計

基礎設計過程中需要結合現場實際情況進行合理的設計，集中收集建筑周邊的設施狀況、水文狀況、地質狀況、周邊道路情況，進一步確定基礎設計方案。重點核查豎向受力構件的截面及相關的計算參數是否正確。基礎設計中，應結合自身設計經驗和地質勘察資料，合理確定各項參數，避免因計算與實際工程差異或參數選取錯誤為結構帶來的安全隱患。完成設計后應多方驗證，確保設計方案的合理性和可實施性[4]。

3.2 墻肢長度控制

剪力墻具有較大的結構剛度，但是墻體如果設置過長，在一定荷載作用下，就會產生較大的裂縫，對結構是不利的。因此，在設計過程中需要對剪力墻的長度進行控制。墻段長度應不大于8 m，要避免形成短肢剪力墻或是對短肢剪力墻的數量、比率等進行限定。這是設計人員在剪力墻設計過程中需要控制和把握的問題。針對這一問題，為避免墻體結構發生破壞，設計人員可以通過對較長墻體進行劃分，形成明確的墻肢和連梁，保證墻體在恒、活、風荷載、地震作用等工況下均可以滿足建筑使用和安全性的要求。在縱墻滿足一定長度要求時，可以作為與其相連橫墻的有效翼緣，具有有效翼緣時邊緣構建的尺寸可以適當減小。這樣整棟建筑物的成本會更加經濟，也可以增加房間的使用空間。

3.3 剪力墻截面、配筋

剪力墻即是建筑豎向荷載的主要承重構件，又是風荷載、地震作用等水平力作用下的主要抗側力構件，具有十分重要的作用。剪力墻的厚度主要由以下幾個方面控制：一是墻體穩定方面。墻體所承受的恒、活荷載越大，墻體越薄，墻體有效長度越長，都越容易失穩，對結構不利。二是構造要求方面。無論是抗震等級、剪力墻所在的位置（底部加強部位還是一般部位）、剪力墻的形狀（一字形還是帶有端墻的剪力墻）等，都對剪力墻的最小厚度有一定的要求，保證剪力墻具有足夠的剛度以及延性。三是軸壓比控制方面。軸壓比主要受抗震等級影響，控制剪力墻軸壓比的目的主要在于減小地震作用下的塑形變形。四是結構整體剛度的要求，剪力墻截面尺寸直接影響著建筑物的整體剛度，以避免結構出現較大位移，影響結構的整體穩定性及舒適性。此外，對于特殊的剪力墻，如短肢剪力墻、短肢一字形剪力墻等還有特殊的規定。

剪力墻的配筋主要由兩個方面確定，一方面是構造要求，配筋率（墻身和邊緣構件）、鋼筋排布、最小直徑、最小間距要求等，這些規定一是在構造上確保剪力墻構件在地震等不利因素作用下，能避免發生延性破壞，并避免出現脆性破壞，這樣在災害來臨時，給人保留逃離的機會。二是確保鋼筋和混凝土能更好的協同工作，不會因鋼筋太密，影響混凝土的澆筑質量和鋼筋的握裹力。另一方面是在風、雪荷載、地震作用等不利作用下，通過承載力或舒適性要求，進行計算確定，其中包括有受剪承載力驗算、受壓承載力驗算、受拉承載力驗算等。

3.4 剪力墻底部加強區

對于一般剪力墻結構來說，剪力墻結構底部一定范圍是整個建筑的薄弱位置。在地震作用下，剪力墻的底部容易出現塑性鉸，對結構不利。對此，通過對此區域的抗震等級進行適度提高，人為增大剪力墻底部加強部位的彎矩設計值和剪力設計值，以確保地震作用下，結構不會首先從底部發生脆性破壞。除了抗震等級要求的彎矩設計值和剪力設計值的提高外，與一般樓層設置的構造邊緣構件不同，在一定條件下，底部加強部位及其上一層設置有約束邊緣構件。此外，對短肢剪力墻的配筋率二者也都有不同的規定。

3.5 連梁設計

在剪力墻結構中，連梁具有十分重要的作用，不僅可以協調相鄰剪力墻之間的位移變形，減小建筑的側移，還起到將獨立的墻肢進行連接，使結構具有整體性的作用。通常，在水平力的作用下，連梁與墻肢產生相互約束的彎矩和剪力，易出現剪切破壞。在剪力墻的設計過程中，首先，要確保連梁具有足夠的剛度，避免在地震作用下因吸收地震能量，過早的出現脆性破壞。其次，連梁的屈服要早于相鄰墻肢的屈服，確保墻肢的安全。最后，要避免連梁出現剪切破壞，剪力墻破壞后，與之相連的剪力墻將會因連梁的破壞，成為一片一片的獨立墻肢，使結構失去整體性。剪力墻連梁的設計主要是通過對彎矩進行折減，減小其配筋，從而人為使其首先出現塑性鉸。

4 剪力墻結構的優點

4.1 穩定性好

剪力墻結構在建筑結構設計中具有突出的穩定性優勢。目前，隨著社會經濟的迅速發展，建筑數量也呈現大幅增長的趨勢。在結構設計中，為了盡可能節約土地資源，建筑高度也呈現快速增長趨勢。高層建筑及地震高烈度地區對建筑結構的穩定性提出了更高的要求。目前的情況來看，剪力墻結構在建筑結構中的合理應用可以有效提高整個建筑的穩定性，從而更好地保障人的安全。

4.2 安全性高

長期以來，安全一直是至關重要的因素，也是生產與活動的前提和基礎，一切活動都必須充分考慮安全因素的影響。因此，在建筑結構設計中，也需要充分考慮建筑設計的安全性。當建筑具有一定的安全儲備，就會減少自然災害對建筑的損害。合理設置剪力墻可以有效提高整個建筑的安全性。在安全意識日益增強的背景下，更有必要提高安全性能意識。在當前對建筑結構研究比較完善的情況下，不應太過追求建筑的造型要求，從而降低結構的安全性。

4.3 良好的抗震性能

近年來，隨著傳媒越來越發達，對地震的報道越來越多，人們對地震的關注度也有了顯著提高。地震具有明顯的不可控性、不可預測性和破壞性。如果發生地震災害，沒有有效的控制，甚至會出現地震次生災害，對周邊地區居民的正常生活和生命財產構成極大威脅。然而，在建筑結構設計中，充分利用剪力墻結構的優良抗震性能，加強內部結構的穩定性，從而有效提高建筑抗震能力。剪力墻結構具有更高的抗震承載力。當地震災害發生時，可以減少對建筑物的影響，從保證人民生活的穩定。

5 剪力墻結構設計中應注意的問題

5.1 保證其數量的合理性

根據相關調查研究，在建筑設計過程中，根據具體工程項目的不同，設計了不同類型、不同要求的剪力墻節點。但并不是剪力墻設置數量越多，建筑物的抗震能力就越高。在實際工作中，需要根據具體項目情況合理確定設計方案。結合不同剪力墻結構的不同功能，進一步提高建筑的整體性能。

5.2 剪力墻結構的優化

在建設過程中，往往會受到一些其他外部因素的影響。因此，設計人員有必要結合現場實際情況，與施工現場多溝通，著手設計更科學合理的設計方案。在設計前、中、后期，設計人員也應對施工現場進行多次現場調研，隨時掌握現場的施工動態。

6 結語

在合理利用剪力墻特性的同時，如何保證墻體的質量、優化剪力墻結構、豐富墻體結構設計體系，是現今建筑設計人員需要研究的問題。設計人員不僅要學習國內外最前沿的建筑結構設計方法和設計理念，也要從實際實施中總結經驗、吸取教訓、多次復盤，針對建筑項目實際設計需求、周邊建筑地形情況，靈活調整設計方法，保證項目實施。