建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

韓 飛 甘肅信合工程設(shè)計有限公司

剪力墻多用于高層建筑，在建筑結(jié)構(gòu)中具有較強的水平與豎向載荷承受能力，在抗側(cè)剛度、抗震能力方面具有一定的優(yōu)勢。部分建筑工程項目為了提升建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，通常會采用布置剪力墻結(jié)構(gòu)的方式增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，然而剪力墻的大量布置會導(dǎo)致建筑工程的經(jīng)濟性受到影響。因此，建筑單位需要結(jié)合剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計原則與工程實際做好剪力墻的合理設(shè)計與布置工作，滿足建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量要求的同時保障工程效益。

1 剪力墻的分類

1.1 根據(jù)墻肢尺寸分類

剪力墻構(gòu)件在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用時通常具有不同的墻肢界面尺寸，按照截面長寬之比不同可以將其劃分為多種類型。其中，異形柱具有低于4 的長寬比，小墻肢剪力墻具有4 ～5 的長寬比，短肢剪力墻具有5 ～8 的長寬比，普通剪力墻則具有8 以上的長寬比[1]。根據(jù)剪力墻高度與寬度的比值不同，可以將剪力墻劃分為3 類，分別為高寬比低于1 的矮墻、高寬比高于2的高墻以及介于兩者之間的中高墻。

1.2 按洞口率的影響劃分

剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計期間，為滿足用戶的功能需求，設(shè)計人員通常會將門窗洞口以規(guī)定的尺寸和形狀開設(shè)于剪力墻上。相關(guān)技術(shù)規(guī)程指出，門窗洞口在剪力墻中的布置應(yīng)保證成列、對齊，連梁與墻肢明確，避免洞口中存在相差懸殊的墻肢寬度。相關(guān)研究成果表明，洞口在剪力墻的布置情況會直接影響墻體結(jié)構(gòu)的變形與受力情況。根據(jù)洞口開設(shè)情況可以將剪力墻劃分為4類，如圖1 所示，分別為整體墻、小開口墻、雙肢墻以及壁式框架，下面進行詳細(xì)論述。

1.2.1 整體墻

剪力墻所開設(shè)洞口數(shù)量少或無洞口時，可以忽略洞口對剪力墻結(jié)構(gòu)性能的影響，此類剪力墻可以稱為整體墻，結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。在實際應(yīng)用時，如果剪力墻中所布設(shè)的門窗洞口僅占據(jù)15%的剪力墻墻體空間，且洞口不存在比洞口邊緣與剪力墻邊緣間距更長的邊，則也可以稱為整體墻。在受力方面，此類剪力墻等同于下端固定、上端自由的豎向懸臂，墻體高寬比較大，截面能夠在墻體變形的情況下維持平行狀態(tài)，具有呈線性分布的截面垂直方向應(yīng)力。

1.2.2 整體小開口墻

小開口墻具有比整體墻更大尺寸的洞口，門窗洞口占據(jù)15%以上的剪力墻墻體空間，結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。在受力方面，截面法向應(yīng)力接近直線分布狀態(tài)，等同于墻肢彎曲應(yīng)力與直線分布應(yīng)力之和，彎曲應(yīng)力所構(gòu)成的彎矩通常在總彎矩的15%范圍內(nèi)，墻體變形情況接近于整體墻，無反彎點存在于墻肢上。

1.2.3 聯(lián)肢墻

剪力墻中分布著較多大尺寸洞口且洞口呈一列分布時，稱之為聯(lián)肢墻，此時的墻體等同于眾多墻肢借助連梁連接的混合體，結(jié)構(gòu)如圖1（c）。隨著洞口列數(shù)的增加，剪力墻可以稱之為雙肢墻或多肢墻。剪力墻受力受連梁影響較大，剛度降低的同時也更容易變形，墻肢局部在水平載荷的影響下呈現(xiàn)出較大的彎矩，導(dǎo)致截面法向應(yīng)力分布偏離直線狀態(tài)。

圖1 剪力墻的類型劃分

1.2.4 壁式框架

壁式框架類剪力墻上布置著尺寸更寬大的洞口，此時的墻肢寬度低于洞口尺寸，墻肢與連梁具有相差不大的剛度，剪力墻具有等同于框架結(jié)構(gòu)的受力變形特性，結(jié)構(gòu)如圖1（d）所示。在結(jié)構(gòu)受力方面，壁式框架的截面法向應(yīng)力相對聯(lián)肢墻具有更大的變化，局部彎矩問題更為明顯，存在較多反彎點分布于墻肢上。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中剪力墻的設(shè)計要求

2.1 避免結(jié)構(gòu)布置過于復(fù)雜

剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計期間，設(shè)計人員需要沿建筑結(jié)構(gòu)主軸開展剪力墻雙向布置工作，確保建筑結(jié)構(gòu)在兩個方向結(jié)構(gòu)的均衡性，避免在抗側(cè)剛度等性能方面存在較大偏差。特別是在抗震設(shè)計期間，設(shè)計人員需要規(guī)避剪力墻單向布置問題。

剪力墻的結(jié)構(gòu)需要盡可能規(guī)避轉(zhuǎn)折設(shè)計，通過拉通對齊的方式避免產(chǎn)生不必要的暗樁、邊緣構(gòu)件布置任務(wù)，將配筋等施工成本進一步縮減。在形狀方面，剪力墻需要采取口、L、T 等較為規(guī)則的形狀，避免結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜影響應(yīng)力穩(wěn)定性和施工效率。

2.2 減少短肢剪力墻應(yīng)用頻次

設(shè)計人員需要避免大量采用一字形剪力墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)通過延長翼緣的方式增強結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。翼緣結(jié)構(gòu)如圖2 所示。同時，需要避免大量使用短肢剪力墻作為抗側(cè)力構(gòu)件，必要時可以將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為筒體結(jié)構(gòu)或引進部分普通剪力墻結(jié)構(gòu)，確保建筑的抗震性能、受力穩(wěn)定性不受短肢剪力墻影響。

圖2 剪力墻翼緣有效寬度示意圖

2.3 提升剪力墻布置的對稱性和連續(xù)性

彎曲破壞能夠為剪力墻帶來充足的延展性，設(shè)計人員需要做好墻肢尺寸的控制工作，盡可能將剪力墻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為高墻結(jié)構(gòu)，避免因脆性過大而出現(xiàn)嚴(yán)重的剪切破壞問題[2]。雖然墻肢長度提升能夠為剪力墻帶來更優(yōu)異的延展性能，但需要將其尺寸控制在8 m 之內(nèi)，將高長比控制在2 以上。剪力墻墻肢較長時，可以通過連梁將其均勻分割，將原本結(jié)構(gòu)參數(shù)不符合要求的剪力墻轉(zhuǎn)化為可靠的聯(lián)肢墻。

為了強化剪力墻對水平與豎向載荷的承受能力，設(shè)計人員需要盡可能通過對稱、連續(xù)的布置方式強化剪力墻的抗扭效果，避免因布置不均勻?qū)е陆ㄖY(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量不均勻，進而影響建筑的穩(wěn)定性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計期間，設(shè)計人員可以沿高度方向?qū)袅Φ慕Y(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，通過提升混凝土強度或者增加墻厚的方式調(diào)整抗側(cè)強度，提高建筑墻體的延性。但實際操作時也需要避免過度調(diào)整，做好經(jīng)濟性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的相關(guān)計算分析工作。

2.4 合理布置剪力墻洞口位置

剪力墻結(jié)構(gòu)的整體受力情況與墻上洞口的布置情況密切相關(guān)，相關(guān)規(guī)程中指出，將門窗洞口布置于剪力墻上時，應(yīng)盡可能按照成列、上下對齊的方式進行布置，確保剪力墻上能夠形成清晰的連梁與墻肢結(jié)構(gòu)，避免因洞口布置散亂導(dǎo)致墻肢寬度存在較大差異。如果所建設(shè)的高層建筑在抗震能力方面有特殊要求，則應(yīng)該避免在底部剪力墻中應(yīng)用錯洞墻這類洞口上下不對齊的布置形式，確保剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能不受影響。同時，沿豎直方向布置剪力墻洞口時，建筑單位也需要避免應(yīng)用存在局部重疊洞口的疊合錯洞墻。疊合錯洞墻與錯洞墻兩種結(jié)構(gòu)形式在結(jié)構(gòu)受力分析方面較為復(fù)雜，在設(shè)計階段應(yīng)盡可能避免采用這兩類剪力墻洞口布置形式。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

3.1 工程概況

某高層建筑地下1層與地上34層結(jié)構(gòu)，高度為99 m，面積為52 469 m2。地上結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)用了剪力墻結(jié)構(gòu)，為鋼筋混凝土現(xiàn)澆成型，剪力墻抗震等級為二級，建筑使用年限為60 年，風(fēng)壓為0.41 kN/m2。

3.2 結(jié)構(gòu)布置

該建筑具有較窄的平面寬度，結(jié)構(gòu)抗側(cè)強度需適當(dāng)提升，確保能夠符合居住及結(jié)構(gòu)位移要求，然而不對稱的縱橫內(nèi)墻結(jié)構(gòu)增加了布置難度。在實際設(shè)計時，通過在分割器、電梯井部位布置剪力墻的方式進行抗側(cè)強度優(yōu)化，并進行適當(dāng)調(diào)整避免過強的剛度產(chǎn)生嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)問題，具體可以采取加厚剪力墻的方式來實現(xiàn)，通過計算求得能夠?qū)①|(zhì)量中心與剛度中心重合于一點的設(shè)計參數(shù)。

在用戶需求方面，建筑結(jié)構(gòu)整體設(shè)計時需要將外挑通窗布置于右端戶型。由于窗戶布置的區(qū)域為無法設(shè)梁的客廳，導(dǎo)致右側(cè)山墻部位無法讓整體剛度形成于剪力墻間，該處更容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形問題。為此，需要在剪力墻的基礎(chǔ)上布置水平翼墻，通過構(gòu)建筒體結(jié)構(gòu)的方式強化結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力性能。為此，針對建筑整體的扭轉(zhuǎn)控制能力改善工作，設(shè)計人員可以將高連梁布置在外墻區(qū)域，基于剛度與軸壓的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，將外墻與內(nèi)墻墻面的相關(guān)參數(shù)自上而下逐漸提高，從而錯開具有不同混凝土強度的樓層。

3.3 結(jié)構(gòu)計算

通過計算軟件對建筑三維結(jié)構(gòu)進行有限元分析，將風(fēng)壓、連梁剛度折減系數(shù)考慮在內(nèi)，掌握在100 年一遇風(fēng)力載荷影響下的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，確認(rèn)層間位移角、結(jié)構(gòu)位移相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。在50 年一遇風(fēng)力載荷條件下，不考慮連梁剛度折減系數(shù)，確認(rèn)連梁超筋問題未出現(xiàn)。在10 年一遇風(fēng)力載荷條件下，考慮結(jié)構(gòu)定點加速度對建筑舒適度的影響，確認(rèn)符合高層建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程要求。計算彈性時程情況，確認(rèn)結(jié)構(gòu)底部剪力在3 條時程曲線結(jié)果中的平均值超過了振型分解反應(yīng)譜法計算所得數(shù)值的81%，每條時程曲線結(jié)構(gòu)均達到其數(shù)值的66%，符合建筑設(shè)計規(guī)范要求。在抗震設(shè)計方面，該結(jié)構(gòu)的彈性在小震影響下符合設(shè)計要求；在中震影響下，關(guān)鍵架構(gòu)與薄弱環(huán)節(jié)能夠工作于彈性狀態(tài)；在大震影響下，各重要部件的延性均符合要求[3]。

3.4 剪力墻構(gòu)造設(shè)計

3.4.1 配筋

在鋼筋配置過程中，可以選擇在地面以上的外側(cè)放置水平鋼筋，內(nèi)側(cè)放置豎向鋼筋。經(jīng)過計算，地下配筋的控制需要由豎向筋來實現(xiàn)，在地下墻體內(nèi)側(cè)布置水平筋，外側(cè)布置豎向筋，通過這種設(shè)置方式提升墻體高度。

3.4.2 邊緣構(gòu)件

邊緣構(gòu)件可以改善剪力墻的載荷承受能力。通常情況下，承載力增強40%的同時會將耗能效果提升20%，實現(xiàn)對墻體穩(wěn)定性的進一步強化。在實際應(yīng)用時，剪力墻具有特殊邊緣、構(gòu)造邊緣以及約束邊緣3種構(gòu)件類型。在通過設(shè)計優(yōu)化改善剪力墻抗震延性的過程中，通常可以采取調(diào)整墻肢軸壓比或者增設(shè)約束邊緣構(gòu)件的方式來實現(xiàn)[4]。其中，構(gòu)件需要在軸壓比無法限制時使用，實現(xiàn)抗震延性的進一步改善。約束邊緣構(gòu)件對墻肢受壓區(qū)的高度控制可以借助內(nèi)部縱筋來實現(xiàn)，箍筋能夠約束混凝土以增強其極限應(yīng)變能力，確保墻肢保持可靠的塑性變形能力以應(yīng)對地震。

在布置邊緣構(gòu)件期間，設(shè)計人員可以借助SATWE 軟件對暗樁配筋相關(guān)參數(shù)結(jié)構(gòu)進行分析計算。在設(shè)計規(guī)范要求范圍內(nèi)，通過計算求得短肢剪力墻的一般區(qū)域需要應(yīng)用1.01%的配筋率，加強區(qū)域則需要應(yīng)用1.21%的配筋率。針對受力性能不足的小墻肢，需要對其軸壓比進行限制，將截面設(shè)計為框架柱形狀，通過計算求得一般區(qū)域需要應(yīng)用1.01%的縱向鋼筋配筋率，加強區(qū)域則需要應(yīng)用1.21%的縱向鋼筋配筋率。當(dāng)墻體一端為短肢、一端為長肢時，對于暗柱的配筋無法參考長肢墻。

針對這一問題，一方面可以在配筋計算時不考慮短肢剛度和短肢在配筋后的變化情況；另一方面可以在剛度計算時考慮短肢的影響，但不考慮配筋對短肢的影響。建議針對短肢的一般區(qū)域應(yīng)用0.81%的配筋率，加強區(qū)域應(yīng)用1.01%的配筋率。在整體設(shè)計方面，工程建筑將約束邊緣構(gòu)件應(yīng)用于地上1 ～5 層，將構(gòu)造邊緣構(gòu)件應(yīng)用于地上6 層以上，配筋率設(shè)置在0.51%～1.01%。

3.4.3 連梁設(shè)計

連梁能夠強化剪力墻的結(jié)構(gòu)剛度，具有較大的截面與較小的跨度。抗剪強度低是連梁結(jié)構(gòu)存在的缺陷，在超出設(shè)計強度的情況下會出現(xiàn)彎曲破壞問題。設(shè)計人員通常會面臨地震作用下剪力與彎矩控制方面的難題，如果單純采取提升連梁高度的設(shè)計手段，則將會導(dǎo)致配筋值進一步增加，具體可以通過降低連梁剛度、增強混凝土等級等方式優(yōu)化設(shè)計[5]。設(shè)計人員可以采用連梁剛度折減的方式滿足設(shè)計需求，而連梁剛度的調(diào)整可以借助跨度、截面高度以及水平縫調(diào)整與設(shè)置等方式來實現(xiàn)。

在實際應(yīng)用中，降低截面高度會導(dǎo)致抗剪截面縮小，缺乏實用性。提升跨度能夠在增強抗剪性能的同時不提升剛度，但需要同步進行剪力墻加厚施工，在經(jīng)濟性方面存在一定欠缺，同時也影響了建筑的功能性。因此，設(shè)計人員需要通過水平縫將連梁轉(zhuǎn)化為雙連梁，將連梁截面寬度擴增為之前的兩倍，有效解決連梁超限問題。

4 結(jié)語

剪力墻作為一種建筑結(jié)構(gòu)形式，以其平整的墻面布置效果、較小的水平位移性能、較強的抗側(cè)剛度性能等優(yōu)勢，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。在實際應(yīng)用時，剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計人員需要遵循降低短肢剪力墻應(yīng)用頻次、簡化剪力墻結(jié)構(gòu)、增強剪力墻布置的對稱與連續(xù)性等設(shè)計原則，結(jié)合建筑功能要求、質(zhì)量要求、經(jīng)濟性等多方面的需求，合理做好構(gòu)件應(yīng)用、配筋、剪力墻厚度控制以及結(jié)構(gòu)設(shè)計等各項工作，確保設(shè)計結(jié)構(gòu)的可行性。