民用建筑結構設計中剪力墻結構的運用分析

劉志軒

廣州亞泰建筑設計院有限公司東莞分公司 廣東 東莞 523000

1 剪力墻結構的定義

1.1 剪力墻的定義

剪力墻結構是一種用鋼筋混凝土墻板來承受建筑物豎向和水平力的結構類型，它用鋼筋混凝土墻板來代替?zhèn)鹘y(tǒng)框架結構中的梁柱構件，能承擔各類荷載引起的內(nèi)力，并能有效控制結構的水平力。這種結構在高層建筑中被大量運用，通常情況下，建筑界按照墻體開洞的情況，將剪力墻分為獨立墻肢整截面剪力墻、雙肢剪力墻、多墻肢聯(lián)肢剪力墻和壁式框架剪力墻等類型。

圖1 基本框架剪力墻結構

1.2 剪力墻的分類

根據(jù)建筑體的需求差異和實際地質(zhì)情況，可以將剪力墻的形式和結構分為不同的類別。首先，對于一些支撐性要求一般的建筑體，可以設計一整面強體來實現(xiàn)抗剪力作用。在整體剪力墻中要求實現(xiàn)抗剪力可應用的墻體達到85%以上。整體墻沿著豎直方向的建設要有對抗墻體變形和彎曲的效果，要求將外包線設計建設成拋物線的形式。其次， 一些在剪力墻上的孔洞開設達到50%以下時，要求將空洞建設為帶狀分布形式，并加強墻體的雙肢建設工作，能夠呈現(xiàn)出抗彎曲可抗扭曲兩種建設需求，對于維持建筑體的穩(wěn)定性更加有效。最后，還有一些整個抗剪力效果以四邊框的形式進行呈現(xiàn)的，由于本身的不穩(wěn)定和易變性問題，要求在設計建設時多引入一些連梁，保證實際建設需求。

1.3 剪力墻結構的優(yōu)缺點

剪力墻結構的優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下幾個方面 ：一是剪力墻結構設計，在建筑設計中所花費的成本比較低，可在維護剪力墻結構質(zhì)量，強化建筑功能性的同時，減少設計成本和施工成本 ；二是剪力墻的剛度性較好，其在功能上較為完整，能夠承受各種負荷力，提高剪力墻的承載能力 ；三是剪力墻結構的應用，有利于重新組合建筑設計中的承重墻和分割墻體，有利于拓展建筑項目的內(nèi)部空間，使其外觀上更加美觀。當然，剪力墻結構也同樣有著其缺點，正是因為剪力墻結構的剛度比較好，這就使得其一旦遇到外力的影響，便會進行抵抗，以致在力和力的作用下發(fā)生變形 ；二是剪力墻結構中的框架設計，會增加剪力墻的重量，同時也使得建筑整體重量提升 ；三是就目前而言，所應用的剪力墻結構，在承載功能方面還有待進一步挖掘 ；四是雖然剪力墻施工的成本相對來說比較低，可在一定程度上節(jié)省施工材料，但是同樣也會對剪力墻結構的延續(xù)性產(chǎn)生影響[1-3]。

2 剪力墻結構設計原則

2.1 最小剪力系數(shù)調(diào)整原則

在剪力墻設計和施工過程中，為盡量避免剪力墻自重因素對于建筑所帶來的負面影響，減少建筑結構本身的總體重量，從而有效增強建筑抵抗地震等風險危害的性能，必須適當?shù)販p少使用剪力墻的區(qū)域和部位。

2.2 連梁超限的調(diào)整原則

在剪力墻的設計和施工中，必須要充分考慮到剪力墻的跨高超限問題，這一問題在剪力墻設計中出現(xiàn)的頻率非常高。因此，剪力墻的設計需要提前對連梁跨高進行合理調(diào)整，明確一定的高度范圍，并且采取框架梁的方式進行剪力墻結構的施工建設。在施工實踐中，如果剪力墻的跨高比例處于5至6的范圍內(nèi)，還需要給予額外的重視，確保剪力墻的連梁剛度保持平穩(wěn)，不出現(xiàn)波動的情形，同時要將其承載力及彎矩控制在一定的范圍內(nèi)，避免剪力墻結構設計出現(xiàn)問題。

2.3 最大位移比例調(diào)整原則

建筑物的層高與層間的最大位移，對于剪力墻結構設計有著十分重要的影響，特別是在地震比較頻繁、對于建筑物影響較為明顯的地區(qū)，以及針對高層建筑，其樓層的最大彈性層間位移值確定必須把剪力墻結構的因素考慮在內(nèi)。對建筑物剪切彎曲的處置需要參照一定結構構件的數(shù)量來進行相應的控制，然而如果豎向結構構件數(shù)量超出一定的范圍，控制工作就很難得到有效進行，相應地也會大幅增加剪力墻的剪重比例。如此一來，不僅剪力墻的結構設計無法達到規(guī)范的要求，而且樓層間的彎曲變形將會出現(xiàn)問題，彎曲變形會隨著時間的推移而不斷增加，在長期使用的情況下，樓層甚至可能發(fā)生位移的情況。因此，在剪力墻結構設計時，必須要嚴格的控制好樓層間的扭轉彎曲，把握好樓層之間的最大位移和樓層間距的比例，這也是提高建筑穩(wěn)定性的基本保障。

3 剪力墻結構在建筑結構設計中的具體運用

3.1 合理確定剪力墻在建筑結構中的位置

剪力墻結構位置的確定，主要需要考慮以下幾個方面的因素：

3.1.1 要從建筑整體結構入手，充分全面地考慮剪力墻的結構位置。剪力墻的優(yōu)缺點表明，其既具有十分重要的地位，同時又要堅決杜絕濫用，必須將剪力墻的設計融入建筑結構設計的整體大局中，確保剪力墻的設置位置能夠符合整體建筑結構的特點及應用需要，才能最為合理地確定剪力墻的位置。

3.1.2 要充分考慮到建筑整體的平衡問題，對于剪力墻的設計要盡可能地滿足結構對稱的要求。剪力墻的對稱設計，不僅要求每一段剪力墻本身要盡量形成規(guī)則的構造，更重要的是建筑物整體的各剪力墻之間，要形成相互對稱的格局，從而能夠更好地發(fā)揮剪力墻的結構優(yōu)勢，并且避免對建筑結構造成失重或者失衡的不利影響。

3.1.3 要盡量簡化剪力墻的結構設計，側重于發(fā)揮剪力墻的優(yōu)勢而不是劣勢。剪力墻對于建筑結構來說是一種重要的結構受力構件，在具體工程結構設計中應當盡可能地簡約化，而不能進行過于復雜的結構設計。簡化的結構設計不僅能夠最大限度地發(fā)揮剪力墻的自身優(yōu)勢，而且可以有效避免各種不利因素的出現(xiàn)，更重要的是，可以避免因設計過于復雜而極大提高施工難度，導致建筑建造成本的較大上升[4-7]。

3.2 重點針對剪力墻的大墻肢進行設計處理

通常情況下，可以采取以下形式對大墻肢進行補充處理：

3.2.1 進行墻肢設計調(diào)整，用短墻肢來代替部分的大墻肢。主要方式是在剪力墻設計環(huán)節(jié)中，對相應的施工洞進行預留，待整體施工完成之后再進行填充。一般來說，剪力墻結構的墻肢不宜超過8m，使剪力墻具有一定的延性，避免因為墻肢呈現(xiàn)脆性而造成剪切破壞。

3.2.2 適當增加大墻肢的配筋量。大墻肢剪力墻結構的優(yōu)點之一在于受力不需要鋼筋的介入，從而有效節(jié)約成本，并降低施工難度和復雜程度，但其相應地降低了建筑結構的整體抗震能力。因此，大墻肢要適應抗震的需要，可以采取有針對性的措施，在墻肢中適當增加鋼筋的配比，從而增加剪力墻的整體強度和承載力，避免因配筋量偏少而產(chǎn)生墻體彎曲等問題，綜合提升剪力墻的抗震能力，保障建筑物整體的穩(wěn)定性。

3.3 完善剪力墻連梁結構的設計

連梁結構是剪力墻結構中的重要組成部分，是剪力墻內(nèi)各組成部分的連接和樞紐。而實踐中，有許多因素都可能會對連梁結構的跨高比以及截面尺寸造成一定的影響，從而影響到剪力墻的整體質(zhì)量。正如上文所述，在連梁設計過程中，連梁結構的跨高需要給予高度的重視和關注，必須要進行科學合理的設計，從而保證設計質(zhì)量，避免連梁截面大小不符合規(guī)范、連梁承載力超限等問題產(chǎn)生。

在目前的剪力墻設計實踐中，由于連梁結構所具有的跨高比相對較小，同時和連梁結構所相連的墻肢結構存在大剛度等情況，導致連梁結構由于受到水平力的作用，進而在出現(xiàn)屈服情況時發(fā)生梁端開裂情況，通常需要采取剛度折減的方式對連梁結構進行處理。然而，對剪力墻進行抗震設計時，又可能因為連梁剛度不足而增加剪力墻所承載的剪力和彎矩，從而大幅增加配筋設計的難度。因此，折減比例應當控制在一定的范圍，把握嚴格的標準，從而使連梁結構具有相應的承載能力。

3.4 合理確定剪力墻結構邊緣構件

剪力墻布置完成后合理確定剪力墻邊緣構件顯得尤為重要。設置剪力墻邊緣構件目的是為了增加墻體的延性，增大耗能能力，從而進一步降低其他結構構件的抗震需求。剪力墻邊緣構件一般指的是剪力墻中的暗柱或者端柱，暗柱一般位于墻肢平面的端部、轉角以及剪力墻開較大洞口后洞口兩邊位置。在剪力墻中設置邊緣構件，既可提高墻體的承載力，又能提高墻體的延性[8-10]。

4 結束語

剪力墻結構是現(xiàn)代建筑工程領域中的關鍵技術，對于建筑業(yè)整體的發(fā)展和創(chuàng)新有著不可替代的作用，對于我國建筑工程建設有著特別重要的意義。而建筑物的特性決定了，建筑結構設計必須充分全面地考量經(jīng)濟、效率、安全等諸多方面的因素，剪力墻結構的運用必須要保證經(jīng)濟性、可行性、科學性和持續(xù)性等各項要求。在具體的建筑結構設計中，必須堅持揚長避短，發(fā)揮剪力墻結構的最大價值，規(guī)避和處理好可能存在的問題和缺陷，從而保障建筑工程的整體成效，為我國社會發(fā)展和經(jīng)濟建設做出應有的貢獻。