關(guān)于高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的分析與探討

程牛

（合肥粵泰置業(yè)有限公司，安徽 合肥 230011）

引言

剪力墻結(jié)構(gòu)的性能比較穩(wěn)定，在安全性方面具備較大優(yōu)勢，在高層建筑中合理應(yīng)用剪力墻結(jié)構(gòu)可以有效提升建筑的抗震能力，從而為居民提供可靠的安全保障。從空間利用角度進(jìn)行分析，在設(shè)計剪力墻時不需要將梁結(jié)構(gòu)和柱結(jié)構(gòu)的安裝考慮在內(nèi)，因此可以在很大程度上提高建筑的空間利用效率，從而讓建筑能夠發(fā)揮出更大的作用，功能性也能進(jìn)一步增強(qiáng)[1]。此外，高層建筑的整體建設(shè)質(zhì)量依靠剪力墻也能得到有效保證，所以在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)科學(xué)合理地應(yīng)用剪力墻結(jié)構(gòu)，并不斷提升剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計工作水平和質(zhì)量。

一、高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)概念以及特征

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中經(jīng)常會用到剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)框架建筑結(jié)構(gòu)存在較大差異，此種結(jié)構(gòu)主要是利用鋼筋混凝土墻板來替代梁柱框架，從而能夠在很大程度上提升豎向和水平荷載能力。由于剪力墻結(jié)構(gòu)具備較強(qiáng)的承載能力，而且自身的延性和整體性都比較好，同時還具備較強(qiáng)的抗震能力，可以有效承受各種地質(zhì)災(zāi)害造成的沖擊，所以剪力墻也被人們叫作抗震墻、結(jié)構(gòu)墻或抗風(fēng)墻。通常情況下，可以把剪力墻分為兩種不同的形式，一種是平面剪力墻，主要由很多分散的單片剪力墻組合而成，一般在高層框架結(jié)構(gòu)以及無梁樓蓋體系中得到廣泛應(yīng)用，主要作用是進(jìn)一步提升框架結(jié)構(gòu)的剛度，對位移現(xiàn)象形成有效控制，并且還可以使框架結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力得到有效增強(qiáng)。另一種是筒體剪力墻，它的主要組成部分主要是集中圍合而成的分隔墻，比如高層建筑中的樓梯間、電梯間和設(shè)備間等都是屬于這種形式，與平面剪力墻相比來說，這種剪力墻體系的剛度和強(qiáng)度較高，可以更好地承受水平和豎向荷載，并且具備更加良好的抗震性能。此外，剪力墻還可以從開洞情況和開洞的大小方面進(jìn)行劃分，通常可以分為壁式框架、整體或整體小開口剪力墻、多肢或雙肢剪力墻以及框支剪力墻等。

剪力墻結(jié)構(gòu)相對于框架結(jié)構(gòu)及框架-剪力墻結(jié)構(gòu)來說具有較大的側(cè)向剛度，故而抵抗水平荷載(風(fēng)、地震等)的能力也明顯較強(qiáng)。因此，在水平荷載作用下，剪力墻結(jié)構(gòu)的整體變形呈彎曲型，這與水平荷載作用下框架結(jié)構(gòu)的剪切變形和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的彎剪變形有顯著的不同。一般情況下，在對帶少量框架的剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震能力進(jìn)行設(shè)計時，需要嚴(yán)格按照《抗震設(shè)計規(guī)范》中的具體要求開展設(shè)計工作，從而將框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的具體抗震等級確定下來，并且還要控制剪力墻剛度和框架剛度度之間的比例，并嚴(yán)格按照框架部分承受的地震傾覆力矩與結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的比例對結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行定性（按剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計還是按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計），以進(jìn)一步確定結(jié)構(gòu)的使用高度、抗震等級、軸壓比限值及層間位移角限值等相關(guān)參數(shù)。

二、高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)布置原則分析

通常情況下，剪力墻結(jié)構(gòu)的布置需要嚴(yán)格遵循四個方面原則，分別是分散布置原則、周邊布置原則、平面布置原則和豎向布置原則。（1）剪力墻結(jié)構(gòu)的分散原則：要求設(shè)計師在設(shè)計的過程中需要合理設(shè)置剪力墻的片數(shù)，保證數(shù)量不能太少，并嚴(yán)格控制每片剪力墻的自身剛度，合理調(diào)節(jié)每片剪力墻的具體尺寸，應(yīng)保證尺寸不能過大，嚴(yán)格控制彎曲剛度和剪力墻之間的距離，如果剪力墻之間的距離較大，就容易導(dǎo)致墻面的剛度提升，從而使剪力墻的韌性降低。（2）剪力墻的周邊原則：當(dāng)建筑物受到外力時就容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，為了有效預(yù)防這種問題的發(fā)生，就需要將剪力墻布置在周邊對稱的位置，從而讓建筑物抵抗扭轉(zhuǎn)的內(nèi)力臂得到有效提升，讓剛度中心和平面中心相互適應(yīng)。(3）剪力墻結(jié)構(gòu)的平面布置原則：在高層建筑剪力墻設(shè)計工作中，需要嚴(yán)格控制高層建筑結(jié)構(gòu)的平面形狀，應(yīng)遵循簡單、規(guī)則、對稱原則，確保剛度和承載力可以分布均勻，不能讓平面形狀出現(xiàn)不規(guī)則的情況，這樣可以進(jìn)一步降低扭轉(zhuǎn)帶來的不良影響。在確定平面形式時還要充分考慮風(fēng)壓大小，有效提升水平作用和豎向荷載的抵抗能力，確保受力明確[3]。(4）剪力墻結(jié)構(gòu)的豎向布置原則：豎向布置需要保證體型具有一定的規(guī)則性和均勻性，防止出現(xiàn)比較明顯的外挑和內(nèi)收現(xiàn)象，嚴(yán)重控制抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力，防止發(fā)生突變問題。為了獲得更大的底部空間，在設(shè)置剪力墻結(jié)構(gòu)時通常會讓底層或底層若干層剪力墻不接觸地面，這種情況可能會引起剛度突變問題，為了防止突變問題，就需要適當(dāng)增加其他落地剪力墻的數(shù)量，并科學(xué)合理地設(shè)計柱或筒體的截面尺寸，在一定程度上提升相應(yīng)樓層混凝土的等級，從而避免出現(xiàn)比較明顯的剛度變化現(xiàn)象。

三、高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)探討

（一）連梁設(shè)計要點(diǎn)

對于高層建筑來說，在開展連梁設(shè)計工作的過程中，可以將設(shè)計內(nèi)容分為兩種類型，分別是抗震性設(shè)計和非抗震性設(shè)計。在具體的設(shè)計工作中，需要對連梁的高跨比進(jìn)行嚴(yán)格控制，連梁的高跨比可以分為兩種，一種低于2.5 的高跨比，另一種是大于2.5 的高跨比，應(yīng)根據(jù)具體的要求科學(xué)制定不同類型的連梁設(shè)計方案。設(shè)計方案不同，對于受剪承載力的要求也就不同，并且需要的截面配筋數(shù)量也存在一定差異，所以在開展連梁設(shè)計工作時必須嚴(yán)格遵循剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)規(guī)范[4]。此外，還需要根據(jù)實(shí)際要求不斷對連梁設(shè)計方案進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，具體優(yōu)化措施如下：首先，在開展內(nèi)力計算工作之前，需要合理拆減連梁本身的剛度。其次，當(dāng)內(nèi)力計算工作結(jié)束之后，需要根據(jù)計算結(jié)果明確連梁彎矩組合，并以此為依據(jù)將連梁中的剪力數(shù)值計算出來，然后同得到的剪力數(shù)值乘以折減系數(shù)，從而進(jìn)一步提升結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在選擇計算方法時應(yīng)充分參考具體的使用要求，確保選擇的計算方法比較科學(xué)合理，從而使剪力和彎矩設(shè)計值的計算工作更加具有針對性，得到的計算結(jié)果也就更加準(zhǔn)確。最后，在剪力墻設(shè)計工作中應(yīng)對彎矩進(jìn)行有效控制，可以科學(xué)設(shè)計連接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)剪力墻墻面和剪力墻外側(cè)的有效連接。首先確定梁軸線的位置，然后根據(jù)軸線位置和軸線方向，將彎矩計算出來，使彎矩設(shè)計的合理性進(jìn)一步提升。另外，還應(yīng)科學(xué)合理地設(shè)計扶壁柱，以此提高剪力墻的強(qiáng)度和剛度，為剪力墻的質(zhì)量提供可靠保障。

（二）洞口布設(shè)設(shè)計要點(diǎn)

在洞口布設(shè)設(shè)計過程中，應(yīng)確保剪力墻的門窗洞口保持上下對齊的狀態(tài)，并且成列布置。保證洞口的布設(shè)可以形成比較明確的墻肢和連梁，能夠讓應(yīng)力呈規(guī)則性分布，又可以和當(dāng)前普遍應(yīng)用程序的計算簡圖相符合，讓設(shè)計結(jié)果的安全性得到可靠保證。還要最大程度避免設(shè)置墻肢剛度差別較大的洞口。此外，洞口布設(shè)設(shè)計還要充分考慮抗震性能設(shè)計，對于抗震等級要求較高的剪力墻來說，不適合將錯洞墻設(shè)置在底部加強(qiáng)位置。如果必須要應(yīng)用錯洞墻，就應(yīng)對錯洞口之間的水平距離進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保距離不低于兩米，對于抗震等級達(dá)到一、二、三級的剪力墻來說都不能使用疊合錯洞墻。

（三）截面抗剪設(shè)計要點(diǎn)

截面受壓區(qū)高度與軸壓力以及截面實(shí)際形狀之間有著十分密切的關(guān)系。如果受到相同的軸壓力作用，帶翼緣的剪力墻和一字形截面會有不同的表現(xiàn)，帶翼緣的剪力墻受壓區(qū)高度相對來說比較小，同時具備比較好的延性，對于一字形截面來說受到的影響較大[5]。所以，如果剪力墻的截面形狀為一字形，必須要對它的軸壓比進(jìn)行嚴(yán)格控制。在截面抗剪設(shè)計工作中，設(shè)計人員需要對建筑的具體情況展開全面分析，然后根據(jù)分析結(jié)果科學(xué)開展截面抗剪設(shè)計工作，只有這樣才能讓設(shè)計工作有據(jù)可依，同時也能進(jìn)一步提升截面抗剪設(shè)計方案的科學(xué)性及合理性，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提升截面抗剪能力的目的。如果截面抗剪設(shè)計工作缺乏合理性，就會對墻體結(jié)構(gòu)的平面受力布局造成不良影響，從而引發(fā)不同程度的變形現(xiàn)象。因此，為了有效提升建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，需要充分掌握截面抗剪設(shè)計工作要點(diǎn)，確保設(shè)計水平和質(zhì)量可以滿足工程施工要求。

（四）剪力墻連梁超筋處理要點(diǎn)

可以采取以下幾種措施來處理剪力墻連梁超筋問題：（1）減少連梁的計算截面。根據(jù)抗震設(shè)計規(guī)范總則的要求，設(shè)計剪力墻時必須嚴(yán)格遵守“強(qiáng)墻弱梁”的設(shè)計原則，設(shè)計墻肢和連梁時必須遵循“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計原則，因?yàn)檫B梁自身具備較高的剛度，可以吸收更大的水平地震力，所以剪力墻結(jié)構(gòu)并不會隨著連梁截面面積的增大而變得更加穩(wěn)固，因此在施工進(jìn)度和位移比允許的前提下，可以合理降低連梁的計算截面，從而讓剪力墻連梁超筋問題得到解決[6]。（2）增加連梁跨度。在設(shè)計連梁的過程中，可以根據(jù)實(shí)際情況合理增加洞口的寬度，提升跨高比，以此來降低連梁剛度。剪力墻結(jié)構(gòu)整體的剛度降低之后，受到地震作用的影響也會減少，從而讓連梁的承載力得到有效提升。（3）連梁的內(nèi)力調(diào)幅。為了使剪力設(shè)計值降低，需要對連梁彎矩和剪力進(jìn)行塑性調(diào)幅。通常情況下可以采取以下兩種塑性調(diào)幅方法，一種是計算內(nèi)力之前適當(dāng)折減連梁剛度，另一種方法是計算出內(nèi)力之后，將連梁彎矩和剪力組合值乘以折減系數(shù)。無論采取哪一種方法都可以有效降低連梁內(nèi)力，減少配筋數(shù)量。一般情況下，需要保證調(diào)幅后的彎矩不會小于調(diào)幅前彎矩的0.8 倍或0.5 倍。

（五）墻肢設(shè)計

通常情況下，需要在結(jié)構(gòu)周期比、位移比和層間位移角等整體計算指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)范要求的基礎(chǔ)上確定剪力墻的位置和數(shù)量。在剪力墻墻肢長度設(shè)計工作中，首先要保證墻肢長度可以滿足實(shí)際建筑功能要求，其次要對墻肢長度進(jìn)行適當(dāng)控制，確保墻肢長度具有較高的合理性。如果墻肢過長，那么當(dāng)墻段截面比較高度時受彎后就會形成較大裂縫現(xiàn)象，墻體內(nèi)的配筋容易拉斷，所以還需要嚴(yán)格控制墻段的實(shí)際長度，具體高規(guī)程定為8m。如果墻肢過短，形成短肢剪力墻的可能性就會增大，許多樓層的墻肢就容易出現(xiàn)反彎點(diǎn)，受力特點(diǎn)接近異形柱，同時在軸力與剪力的影響下，導(dǎo)致抗震性能降低。為了進(jìn)一步提升剪力墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，在高層住宅結(jié)構(gòu)中不適宜設(shè)置較多的短肢剪力墻。

四、結(jié)語

在高層建筑中合理應(yīng)用剪力墻結(jié)構(gòu)可以有效提升建筑的抗震能力，從而為居民提供可靠的安全保障。在開展剪力墻設(shè)計工作時，需要確保設(shè)計人員需要具備較高的設(shè)計水平，并充分掌握剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點(diǎn)，嚴(yán)格按照剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則進(jìn)行設(shè)計，進(jìn)一步提升剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)性及合理性，從而讓剪力墻結(jié)構(gòu)的功能和作用能夠充分發(fā)揮出來，從而有效提升建筑結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量。