建筑結構設計中剪力墻結構設計研究

周光禹 沈陽城市學院高級工程師

張 鑫 天津市海順交通工程設計有限公司遼寧分公司高級工程師

高 蕉 沈陽城市建設學院高級工程師

建筑行業發展期間，為了營造良好的生存環境，建筑設計機構需要深入研究建筑結構設計，提高建筑結構質量，維護建筑結構整體的穩定性。城市化發展中，由于土地資源短缺，建筑層數逐漸增加。因此，現有建筑結構設計中，需要注重剪力墻結構的優化設計。剪力墻結構的承載力強，能夠同時承載結構水平力和豎向力，加強建筑結構的穩定性與安全性，展示出其在建筑結構中的保護效果。

1 剪力墻結構

剪力墻是建筑工程中使用鋼筋混凝土全面替代傳統框架梁柱的構造形式。利用鋼筋混凝土承受內力，保證水平力平衡，可以避免建筑結構遭受剪切破壞影響[1]。為了保證建筑的堅固性，剪力墻建筑材料多應用到鋼筋混凝土。按照不同施工方法，建筑結構可劃分為框架結構、混合結構、框筒結構以及剪力墻結構。剪力墻結構構造節點如圖1 所示，其抗側剛度大、抗震性能優，被推廣應用于建筑結構設計中。

圖1 剪力墻結構節點

剪力墻結構設計期間，施工企業應用鋼筋混凝土墻板代替原先框架結構梁柱，以承擔水平與豎向荷載，進而有效控制建筑結構水平力[2]。剪力墻結構具備良好的抗震性能與剛度，因此被廣泛應用于建筑結構設計中。

2 剪力墻結構種類

為提高結構抗震性與穩定性，可以利用剪力墻結構控制承載力提升結構剛度。當建筑結構的類型不同時，剪力墻結構存在明顯差異，可以結合實際選擇建筑構成與技術工藝，用以滿足剪力墻結構標準。

2.1 實體墻

在剪力墻結構中，若不注重墻體開洞處理，則可將其設計成實體墻結構。如果開洞面積不足15%，也可設計為實體墻結構[3]。同時，在設計實體墻結構時，需要深入分析剪切力。加之實體墻具有牢固的特點，其可以減少突變、彎矩問題的發生，提升結構支撐的承載力，以保障剪力墻結構的穩固性。

2.2 雙肢剪力墻與多肢剪力墻

剪力墻結構涉及多肢剪力墻和雙肢剪力墻。墻面上開有一排洞口的墻被稱為雙肢墻，開設多排洞口的稱為多肢墻。多肢墻因門窗洞口較大，墻截面正應力不再為直線分布，受力與變形變化大，墻肢線剛度大于連梁線剛，且每根連梁中部存在反彎點，各墻肢單獨彎曲作用顯著，只是在少數層內出現反彎點，因此需要采用相關方法進行分析。雙肢墻因連梁連接，其結構內力分析稱為高次超靜定問題。為了簡化計劃，需要應用微分方程法進行計算分析。

2.3 壁式框架剪力墻

當剪力墻洞口尺寸較大、墻體寬度較小時，連梁線剛度接近墻肢線剛度，剪力墻受力性能接近于框架，因此被稱為壁式框架剪力墻，見圖2。

圖2 框架剪力墻結構

3 剪力墻結構設計原則

3.1 高度與寬度設計原則

設計剪力墻結構時，全面按照剪力墻寬度、高度要求，立足于柱體受力方式，使剪力墻支撐建筑結構。優化設計剪力墻結構，根據水平力和豎向力要求，準確計算剪力墻彎矩力。結構具有非彈性、彈性特點，設計過程中需合理控制剪力墻結構高度和寬度。

3.2 延展性控制原則

剪力墻結構的延展性特點會極大地影響其穩定性。設計建筑結構時連梁應力會影響剪力墻，使其產生彎曲、拉伸、變形等問題，致使結構剪切被破壞、脆性被破壞。在建筑結構設計中，墻體長度應小于9 m，高寬比應大于2[4]。當建筑為長墻體時，需要設置翼緣，避免出現“一”字形剪力墻。在截面位置設置洞口，將長墻體劃分為若干段小墻體，實行弱連梁、肢墻連接模式。但是，當短肢剪力墻較多時，則無法滿足高層剪力墻設計原則，因此需要控制短肢剪力墻數量，確保其抵抗水平應力。

3.3 連續性控制原則

剪力墻結構可以分隔、維護建筑構件，其水平抗側、豎向承重效果顯著。為了減少剛度影響，防止建筑側移、剪力墻突變，建筑結構設計中需要合理布置剪力墻，積極預防剛度突變問題。建筑人員要考慮墻體高度與方向，選用高質量混凝土材料，適當增加墻體厚度，提高剪力墻結構剛度[5]。針對小開間、室內面積小、抗震性能要求高的建筑結構，如果無法保證剪力墻的連續性，就要合理設置剪力墻，保證上洞口、下洞口對齊。同時，洞口位置設置重疊墻肢、連梁，以加強抗震性能。

3.4 剪力系數控制原則

設計剪力墻系數時，應按照抗震要求合理控制剪力系數，以提高建筑結構抗震能力和傾向剛度能力。在優化設計結構傾向剛度時，需要在結構內增加傾覆力矩，有效控制不同結構的剪力系數。

3.5 規則性控制原則

設計人員需要深入分析建筑不同區域的不同作用，通過簡單剪力墻結構劃分不同區域的功能區，保證建筑結構設計滿足多樣化需求，為后續擴展、維護施工預留充足的空間。設計剪力墻時，應遵循規則性控制原則，針對高層建筑剪力墻可采用兩主軸雙向設置方式，此方式下剪力墻側向剛度差別不大，可以避免建筑側向位移[6]。優化設計抗震結構建筑時，設計人員應注重剪力墻設計的規則化與簡單化，避免出現單向墻，在地震災害發生時保證建筑物不會出現嚴重墻體變形與倒塌問題。建筑平面不規則時，為了避免出現單向墻，必須按照環向、徑向布置剪力墻結構，如果出現轉折，則根據剪力墻模式進行優化設計。

4 剪力墻結構在建筑結構設計中的應用

4.1 合理設計連梁

要想優化設計連梁，需要通過若干個墻肢加強關聯性，保證剪力墻結構受到水平荷載時墻肢無扭曲問題。在連梁設計中，可適當應用連梁裝置，提高墻體的穩定性，確保墻肢受到水平荷載作用力后，不會對剪力墻結構造成影響。剪力墻結構中需要設置連梁結構，以提升剪力墻的承載性能。在剪力墻結構中，連梁為重要組成部分，所以必須注重連梁設計優化。此外，連梁設計中，需要立足于設計要求優化調整連梁參數[7]。建筑結構設計中，需要提高建筑結構承載能力、抗震能力，合理控制剪力墻結構高度、寬度，擴大連梁面積，展示出連梁裝置在剪力墻結構中的應用效果。

4.2 優化平面與結構布置

合理布置剪力墻平面時，按照均勻對稱原則，確保墻面結構的質量中心、剛度中心重合，控制扭矩，拉通和對直內外剪力墻，降低不均衡作用力。剪力墻沿著主軸走向，做好雙向與多項布置。優化設計抗震功能時，應減少單向墻設計模式，充分發揮出剪力墻功能。為了維護建筑質量與安全，降低施工成本，剪力墻結構設計期間還需合理控制抗側力剛度，因為當抗側力剛度較大時會增加震力，進一步增加墻體自身重量。此外，需要合理布置剪力墻結構，要求設計人員減少單向形式設計，以免影響剪力墻結構的抗震性能，降低建筑工程的抗震性能。在合理布置結構時，應充分發揮出剪力墻的側向剛度，提升建筑工程的抗震性能。

4.3 把握剪力墻外形與尺寸

隨著建筑規模的擴大化和建筑功能的多樣化發展，設計人員需要高度重視剪力墻外形與尺寸設計，明確最佳參數。通過此種方式展示剪力墻的作用，確保剪力墻設計達標。建筑結構中，剪力墻結構可以支撐建筑豎向力、水平力，應按照荷載承載要求和剛度要求，優化設計剪力墻尺寸及外形，設置墻肢截面高度。按照建筑設計規范的要求，應設置大開間剪力墻，確保不同位置的荷載達到要求，全面展示荷載傳遞效果。分析剪力墻施工過程，制定科學的施工方案，聯合設計內容，以T 型、L 型開展剪力墻結構施工，不但可以提高剪力墻剛度，還可以減少墻體重力的影響。此外，按照標準化設計法開展剪力墻結構施工時，應科學控制結構外形與尺寸，降低施工成本，優化剪力墻結構設計[8]。

4.4 完善剪力墻大墻肢

剪力墻結構施工時，為了發揮剪力墻結構作用，施工企業需按照施工技術與方案，優化剪力墻肢施工，處理好現存問題，減少剪力墻結構質量隱患。此外，調整剪力墻結構設計方案，既要擴展剪力墻延展性能，又要調整剪力墻結構寬度、高度，按照標準規定要求優化控制高寬比，降低剪切、破壞不良影響。通過彎曲形狀，完善剪力墻肢，落實以下設計內容。

一是剪力墻高度達標，在標準范圍內增加空洞。施工操作時，通過專業開洞技術確保每個開洞位置均能夠劃分剪力墻結構，降低彎曲作用，避免破壞剪力墻結構，從而控制裂縫問題。二是提高剪力墻支撐作用，注重剪力墻高度控制。當剪力墻高度＞8 m 時，選擇適宜位置進行開洞處理[9]。完成剪力墻施工后，使用混凝土材料封堵空洞。

4.5 設計完善剪力墻邊緣構件

設計和構建剪力墻邊緣時，應注重邊緣構造約束，優化邊緣構件設計。結構施工中，深入分析現場施工環境，選擇科學的技術方案優化構件設計，聯合結構構件實施劃分，發揮出構件在剪力墻結構中的作用。

按照標準化施工要求，聯合箍筋、配筋特征值，發揮出墻肢長度的作用，同時合理控制結構尺寸與形態大小，減少設計不合理問題。優化配置縱向鋼筋，通過構件優化建筑結構，降低剪力墻剛度，有效約束結構內邊緣構件。

4.6 剪力墻延伸性處理

在建筑結構設計中，延伸性處理屬于剪力墻設計重點內容。一般來說，剪力墻結構的延伸性較強，所以剪力墻設計與施工具備延伸性，延伸性對剪力墻整體性、耐久性影響較大。此外，在延伸性處理中，為了防止剪力墻結構遭到破壞，設計人員必須滿足承載力要求，以對稱、均勻、連貫的設計方法，加強剪力墻整體支撐效果，從而提升剪力墻設計的可靠性。

4.7 提升剪力墻強度與性能

在剪力墻設計中，強度與性能提升也屬于設計重點。按照我國出臺的相關標準可知，建筑工程設計與施工期間，應當保障剪力墻水平、豎向分布筋的配筋率。針對非抗震設計、四級抗震設計，配筋率應高于0.20%。針對一級、二級、三級抗震建筑設計，應確保配筋率高于0.25%，以進一步提升建筑抗震強度與性能。此外，在提升剪力墻強度與性能時，設計人員需遵循混凝土結構設計規范、抗震設計規范等相關要求，約束、構造邊緣剪力墻構件，確保矩形截面剪力墻極限承載力達到40%，同時提升抗震能力，保證剪力墻設計的合理性。

5 結語

剪力墻結構具備抗側剛度大、抗震性強等優勢，因此被廣泛應用于建筑結構設計中。為確保建筑結構設計效果，提升建筑質量，須掌握剪力墻結構理論，遵循剪力墻結構設計原則，按設計要點合理設計連梁，優化平面布置，把握剪力墻外形與尺寸，設計完善剪力墻邊緣構件，以展示剪力墻結構優勢。同時，設計人員應增強創新意識，優化建筑結構體系，促進建筑行業長遠發展。