剪力墻結構設計在建筑結構設計中的應用分析

程江勇

關鍵字：剪力墻結構；建筑結構設計；應用

以高層或超高層建筑為代表的現代建筑在利用城市上下垂直立體空間、緩解城市土地利用壓力、滿足城市居民的工作與生活需求方面發揮著重要作用，是城市建設、尤其是特大型或大型城市建設中必不可少的建筑類型。現代建筑普遍具有體型大、功能多、結構復雜、形式多樣等特點，對建筑結構設計的抗震性能、安全性能、穩定性能要求較高，建筑內各結構的有機銜接與高度適配可以切實提高超高層建筑的施工質量與建筑安全性[1]。

剪力墻結構是現代建筑結構設計中的關鍵結構類型，其利用鋼筋混凝土取代傳統建筑結構中的梁柱，依托鋼筋混凝土板與混凝土墻面實現用力傳遞。在建筑遭受地震縱橫波或強勁風力侵襲時，剪力墻可有效負荷各種負載造成的內力，提高建筑的整體安全性。因此，現代建筑結構設計中，應精準掌握剪力墻結構的分類與適用條件，科學沿用剪力墻結構設計的基本原則，并合理、有效地將剪力墻結構應用在建筑結構設計中，切實降低建筑結構施工成本，提高建筑結構的穩定性與安全性。

1 剪力墻的作用與分類

1.1 剪力墻的作用

剪力墻，又稱為抗震墻、抗風墻，顧名思義其在應對地震或強風侵襲時具有良好的力學荷載性能。剪力墻通過鋼筋與混凝土將墻體與樓板緊密整合形成完整且堅固的受力整體，并通過鋼筋混凝土板與混凝土墻之間的用力傳遞有效負荷各類地震或強風給建筑物帶來的水平方向與垂直方向的負載，提高建筑結構的穩定性與安全性[2]。

傳統框架結構中梁與柱的分離導致墻體頂面與框架梁底存在縫隙，影響框架結構的整體性，使得框架結構無法傳遞上部荷載，影響建筑結構的載荷能力與安全性能。剪力墻結構則是利用鋼筋混凝土將墻體與樓板整體澆筑，從而具備了框架結構所缺失的整體簡潔性、空間作用與抗側力能力。在抗側力方面，剪力墻通過墻體與樓板之間的用力傳遞提高建筑物對水平方向壓力與豎直方向重力的負載能力，以良好的側向剛度減少強風或地震條件下建筑物的水平側移或傾斜。但剪力墻結構也存在一定的局限性或不足，例如，剪力墻結構的空間布置限制條件或要求較高，空間分配與使用存在諸多制約因素。同時，由于墻體與樓板的整體性澆筑使剪力墻結構的重量較大，影響了建筑結構的靈活性。

1.2 剪力墻的分類

相較于框架結構、混合結構，剪力墻結構因其良好的抗震性能與安全性能可廣泛應用于建筑結構設計與施工中。剪力墻類型眾多，常規的可根據其開洞面積大小分為實體墻、小開口整體墻、連肢剪力墻、壁式框架剪力墻等。

實體墻是指剪力墻中未開設門窗洞口或所開設的門窗洞口面積較小（小于剪力墻整體面積的15%）的類型，實體墻中門窗洞口的開設幾乎可以忽略，使墻體形成一個有機的整體[3]。小開口整體墻是指剪力墻中有一定數量或面積的開口（門窗洞口面積小于剪力墻整體面積的15%），其門窗洞口的位置、大小等均有設計標準作為依據，與實體墻不同之處在于，小開口整體墻在受力作用下易出現局部彎矩。連肢剪力墻是指剪力墻中門窗洞口開設數量較多、面積較大的類型，其可視為小開口整體墻在整個剪力墻面上的排列組合，使洞口在剪力墻墻體上均勻、列狀分布，受力均衡性使連肢剪力墻在受力作用下不易出現局部彎矩[4]。壁式框架剪力墻是指剪力墻中門窗洞口開設尺寸很大的類型，壁式框架剪力墻以墻肢作為核心建筑結構的支撐要素，其受力特征類似于框架結構，如在水平作用力下，壁式框架剪力墻會出現剪切型的側向彎曲變形。

在建筑結構設計時，應根據建筑設計目標合理設計剪力墻結構設計方案，選擇適宜的剪力墻類型，科學測算剪力墻結構的尺寸、軸壓比、最小剪力系數等，以提高剪力墻的設計與施工質量。

2 剪力墻結構設計的基本原則

剪力墻結構的基本構成包括墻肢與連梁，通過對墻肢與連梁的整體性澆筑，提高剪力墻結構的剛度、抗震性與穩定性。剪力墻結構設計對空間布置的要求較高，應根據施工現場空間布局以及設計要求合理選擇剪力墻類型，確保剪力墻的幾何效果與使用效果得以兼備。

2.1 科學設計墻體受力

剪力墻結構依托鋼筋混凝土板與混凝土墻面實現用力傳遞，是建筑結構設計中的重要支撐性構件。在設計剪力墻結構時，需對墻體受力情況進行科學、精準的設計與測算，充分考慮剪力墻在強風、地震縱橫波等外力作用下的負載情況，綜合剪力墻所承受的水平壓力、豎直重力以及彎矩剪力分析剪力墻的具體受力特征。同時，剪力墻的受力設計應通過剪力墻模擬量化分析其在反復循環過程中墻體的延展性，通過良好的墻體延展性提高剪力墻的抗震性能。基于此，應合理設計剪力墻結構的尺寸、軸壓比等重要參數，并選用適宜的鋼筋與混凝土材料，切實保證剪力墻的剛度以及在外力作用下的穩定性與安全性[5]。

2.2 關注平面內搭接

剪力墻結構設計的空間布局限制性對剪力墻的幾何效果與幾何特征提出了較高的要求，位于同一平面的剪力墻結構所承受的外力荷載更大，因此在剪力墻結構設計時應充分考慮同一平面中剪力墻的剛度要求，以切實提高平面中剪力墻的負載能力。鑒于平面之外的墻體、梁等承載力要求不高，在剪力墻與上述構件連接時，需要關注平面內剪力墻與其他構件的搭接，以符合設計標準的剪力墻剛度確保平面內搭接的穩定性與堅固性，切實提高剪力墻結構的力學性能以及建筑物的安全性能，以免因搭接應力保護不到位而出現建筑安全事故。

2.3 調整最小剪力系數

剪力墻結構雖然可以提高建筑的穩固性與抗震性，提高建筑的使用安全性，但剪力墻采用鋼筋混凝土澆筑而成，其自重較大，使建筑物的重量也相應增加。在設計與使用剪力墻結構時，應全面統籌、綜合權衡、科學設計。例如，在墻體受力設計時應充分考慮水平壓力與剪力以及剪力墻的豎直重力，以便剪力墻建立良好的應力作用。剪力墻結構設計應注重對最小剪力系數的調整與優化，從建筑物自身重量以及建筑物抗震性能兩個方面確定最小剪力系數，以有限的剪力墻數量提高剪力墻的側向剛度。同時合理減輕建筑物的自重，減少鋼筋混凝土等施工材料的使用，降低剪力墻結構施工成本[6]。

3 剪力墻結構在建筑結構設計中的應用

3.1 定位剪力墻結構

剪力墻結構是建筑結構設計中的重要構成，考慮到剪力墻結構的幾何特征、受力特征等對空間布局的限制，需科學、合理地根據建筑現場空間布局定位剪力墻結構。

首先，按照剪力墻結構設計簡單與方便的原則，對剪力墻的平面結構進行布置與設計，通過模擬與測算分析剪力墻的質量中心與剛度中心，并根據上述中心的定位分析出剪力墻的結構與實際性能，確保同一平面上的剪力墻具有較高的剛度與穩固性能，提高同一平面中剪力墻的載荷能力。

其次，根據建筑所在地的地形地貌、地質條件、氣候條件等自然環境因素合理設計剪力墻結構所受外力，充分了解建筑荷載并調整剪力墻的最小剪力系數。如果剪力墻的平面結構不規則，設計人員應在剪力墻結構設計方案中合理設置溫度伸縮縫，增強剪力墻的抗扭效果。

最后，考慮到墻體本身的自重以及地震縱波等對外力因素的影響，應對剪力墻的垂直受力構件進行科學設計，可在剪力墻轉換梁上壁與中柱等部位設置門洞，以免構件在轉換傳力過程中無法有效傳遞上部荷載以及下部的振動波，造成剪力墻結構穩固性不足。

3.2 大墻肢的處理

剪力墻結構具有一定的延展性，可以通過良好的墻體延展性提高剪力墻的抗震性能，這是剪力墻結構區別于框架結構與混合結構的重要優勢。在剪力墻結構應用過程中，設計人員應充分發揮剪力墻結構的延展性優勢，對剪力墻的肢體與柱形進行模型模擬與優化設計，通過調整肢體長度與厚度之間的比值提高剪力墻的剛度與性能。

尤其在城市的高層建筑中，如果肢體長度與厚度的比值設計不合理，將會導致高層建筑在受力作用下出現不同程度的偏移，影響高層建筑結構的穩固性。因此，在剪力墻結構設計時，應利用模型模擬不同參數下的剪力墻結構以及相應的墻肢承載力，選擇最優的剪力墻結構參數，以提高剪力墻的剛度與性能。同時，在具體施工時，也可通過留洞測試對剪力墻的負載能力進行測試，并根據測試結果對留洞進行適當填充，有效處理剪力墻的大墻肢。

3.3 墻體配筋的控制

剪力墻結構利用鋼筋混凝土取代傳統建筑結構中的梁柱，依托鋼筋混凝土板與混凝土墻面實現用力傳遞。配筋是剪力墻結構中的重要構成，剪力墻的配筋不僅會影響墻體的承載力、穩固性以及建筑的安全性，還會影響剪力墻的施工成本與經濟效益。因此，在設計墻體配筋時，應綜合考量剪力墻的支撐力、剛度、強度、穩固性等性能，科學設計配筋率，盡可能降低剪力墻結構施工的實際成本，切實保障剪力墻的穩定性與施工企業的經濟效益。

3.4 邊緣構件的確定

邊緣構件是剪力墻結構中特有的構件，其設置在剪力墻的邊緣部位，用于改善剪力墻的受力性能，提高剪力墻的穩固性。邊緣構件主要包括有約束與無約束兩種，無約束邊緣構件應用到剪力墻結構可以使建筑的承載力更具優勢，但剪力墻結構的穩固性與抗震性能卻有所不足。根據實驗分析，無約束邊緣構件會導致剪力墻的樓梯間位移角度出現偏差，使得其抗震性能僅為有約束邊緣構件的80%，極限承載力僅為有約束邊緣構件的60%。因此，在設計剪力墻結構時，應綜合考慮剪力墻的軸壓比大小與等級，根據建筑結構設計的要求確定適宜的邊緣構件，有效兼顧建筑結構的抗震性能與承載力。

3.5 其他注意事項

3.5.1 加強基礎方案設計

基礎方案設計是剪力墻結構設計與應用的重要基礎，在剪力墻結構設計之前，建筑結構設計人員應對施工現場進行認真、詳細地勘察，全面掌握施工現場的地質環境、地形地貌、氣候水文等基本自然環境，可全面且直觀地指導超高層建筑結構設計過程，優化調整建筑結構的空間規劃，提高剪力墻結構設計的合理性與科學性。

3.5.2 完善承重構件設計

設計人員需根據結構設計的相關指標與標準規范對建筑物的主體結構進行優化設計，將剪力墻結構應用在建筑中，對支撐構件、工藝參數等進行科學選配與優化調整，確保剪力墻設計質量。例如，可將建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術應用到剪力墻結構設計中，對剪力墻各構件進行三維建模后，利用結構分析方法檢測各構件的空間結構交叉狀況，幫助設計人員提前規避構件不匹配問題，實現剪力墻結構設計的高質量技術交底。同時，依托BIM 技術的結構計算分析模型，結合剪力墻的幾何結構、材料等測算出剪力墻結構的荷載，以便合理利用預應力技術，量化測算灌漿量，將預應力筋的伸長值控制在一定閾值范圍內。

3.5.3 優化剪力墻結構設計

在剪力墻結構設計過程中，剪力墻通常需沿著主軸方向雙向布置，以便剪力墻形成一定的空間結構。針對剪力墻平面與豎直布置過程過于單一、剪力墻剛度不足的問題，應科學設計與測算剪力墻的防震性能，通過調整剪力墻在主軸方向雙向的受力方向剛度，確保剪力墻結構的抗震性能符合設計要求。同時，剪力墻結構應具有較大的承載力與抗側剛度，設計人員在豎向布置剪力墻時，應沿著房屋高度進行通高布置、上下對齊，確保剪力墻在豎向方向上的剛度得到弱化，避免剪力墻豎向剛度出現突變的情況，滿足現代建筑結構的剛度與性能要求。

如果建筑設計中墻體的長度較長，需在剪力墻中開設洞口，將剪力墻分割為長度大致相當的多個墻面，再利用弱梁將分割好的各個墻面進行關聯，每個獨立墻段的總高度與截面高度應按照一定的比例分配，避免因剪力而出現脆性剪切。同時，在剪力墻結構設計時，應避免形成墻肢，保證剪力墻的剛度與性能。

4 結語

剪力墻結構在建筑工程中應用廣泛。設計剪力墻結構時，應根據建筑工程的實際情況，確保剪力墻結構方案既符合設計指標標準，又能滿足經濟要求，為建筑工程的結構設計質量提供基礎保障。由于剪力墻所用的施工材料為鋼筋混凝土，限制了空間的分配與使用，且設計與施工難度較高、材料耗費多，因此，剪力墻結構設計應嚴格遵循相關技術標準與規范，在布置過程中依照主軸方向雙向布置，提高剪力墻結構的空間工作性能。同時，在設計剪力墻結構時，設計人員應提高對墻體抗風、抗震等各項內容的重視程度，確保剪力墻結構設計的合理性，保證剪力墻的剛度與性能。