剪力墻結構在建筑結構設計中的應用探析

薛 磊

中鐵第一勘察設計院集團有限公司 陜西 西安 710043

隨著我國人民生活水平的日益提升，對房屋的功能也將有更高的需求，因此剪力墻被大面積應用到住宅、辦公以及商業建筑等多個領域當中。尤其對于住宅與酒店采用的現澆剪力墻結構形式，不僅可以將隔斷墻和承重墻一體化，還可以將小開間中的部分隔墻面積最小化，從而提高了建筑面積的整體利用率[1]。剪力墻建筑也比傳統框架獲得了更大面積的利用余地，這主要由于剪力墻建筑有不露梁、立柱不外露、構造簡潔等優勢。同時，剪力墻結構也可以合理設計為延性剪力墻，以提高其實際抗震性能，這種剪力墻既可以用于震區，也可以用于非震區。

1 剪力墻結構概述

房屋框架結構，一般是在房屋外或建筑物內采用規定數量的基本結構(如板、梁、柱等構成建筑結構的單元)相連（如圖1所示），并可以承擔相應作用的結構空間(含平面)。剪力墻結構主要是依靠混凝土墻體經受地震作用產生的風荷載或地震水平力，包括構造樓面本身的豎向力(在某些情況下還包括豎向地震力)。所以，剪力墻結構不但能符合在地動影響和風荷載影響下的剛性強度要求，而且還能解決在反復非彈性變化條件下的延性要求和結構能耗需要。這些特性使得其能夠很好地應用于抗震設防烈度較低地區，尤其是對那些處于多震環境中的高層建筑[2]。

圖1 剪力墻基本結構

2 剪力墻結構設計的缺點與優點

2.1 剪力墻結構設計的缺點

在較低層，由于剪力墻的實際移動不大，并使框架產生了彎曲型曲線變化，因此剪力墻實際受到的水平應力也較大，在頂層則恰恰相反，由于剪力墻的實際移動比較多，有逐漸向外側扭曲的趨勢。當荷載增加到一定程度時，剪力墻發生屈曲破壞，此時由于剪力作用使其剛度下降，從而影響整體結構的抗震性能。

另外，剪力墻不僅不能承擔由整個荷載對結構帶來的實際水平壓力，同時也能承擔負剪應力，使整體框架產生了額外的水平壓力。這樣，即使外在荷載對高層形成了極小的剪切力，也會對框架層形成非常大的剪切力。如果將剪力墻與框架組合起來使用，就可以充分發揮其作用。這不但增加了建筑物結構整體強度和承載力，同時降低了建設費用。

2.2 剪力墻結構設計的優點

剪力墻框架一般要求以鋼筋混凝土板完全取代了傳統的框架式板柱結構，對樓板的水平受力進行必要的控制性，以確保樓板結構有良好的可靠性。剪力墻結構具有以下優點：

第一，穩定性較高。在開展建筑工程建設之時，經常會用到剪力墻結構，它是一種新型的高層建筑體系，可以有效地保證建筑物具有較強的抗側剛度。隨著剪力墻強度的增大。剪力墻厚度的增大也意味著連梁實際斷面長度的擴大。剪力墻構造通常使用鋼筋砼構件，和傳統的框式梁柱比較，該種構造形式擁有良好的整體特性，可以帶來良好的支撐效應，對建筑的穩定性有很大的提高。

第二，經濟性較強。由于在剪力墻的總體構造中會更合理的使用鋼筋混凝土，可以大幅度降低鋼料的實際使用率，從而節約了不必要的費用。

第三，建筑美觀性較好。剪力墻構件有很大的抗側強度，可根據自身實際狀況做出不同程度的調節，能完全適應各個年齡的群體對建筑物美觀性能的自身能力要求。

第四，規則性。通常情況下，各種建筑都可以被分割成各種功能的分區，而且每個區域的角色也會有所不同。而在高層建筑中，由于其功能較為復雜和多樣，所以就需要對建筑物進行合理規劃和布置，從而滿足人們對于居住環境以及生活質量等多方面要求。另外，剪力墻洞口實際長度必須根據有關技術標準逐步增加，此外，連梁實際高度同時科學合理的降低。這么做的終極目的是合理減小連梁的實際剛度，同時提高整體建筑物的實際耗能性能。

3 剪力墻結構的設計原則

3.1 肢長與厚度比值的要求

在剪力墻架構設計過程中，首先必須嚴格按照剪力墻的承載形式和幾何特性，來求得肢長的長度和厚薄的比率，這主要由于剪力墻的寬度與高度之間有較大的差異。只有測算出肢長和厚薄二者的比例之后，相應的工程設計技術人員方可按照計算結果設計出適當的墻體和雙向受力結構[3]。因此，為了更好地服務于未來的工程設計環節，剪力墻的周長比和壁厚比的計算應按有關規定進行設計。

3.2 滿足剛度、變形性能以及延性方面的要求

在剪力墻架構設計的整個流程中，除必須精確測算出肢長的直徑和厚度之間的比例之外，還必須保證剪力墻的實際強度、變形特性和延性滿足要求。在設計剪力墻結構設計之前，各工程設計技術人員都應該很明確地知道，剪力墻結構必須承擔更多的外力，首先，對建筑所形成的水平方位應力和彎矩，以及豎直方向所產生不同程度的壓力;其次，軸力和其他類型的剪力。另外一個重要的影響因素就是混凝土材料自身存在的彈性特性和塑性性質。而對于鋼筋來說，其本身具有較強的抗拉能力，并且能夠通過反復拉伸來保證結構的整體性。所以，在建筑結構設計流程中，剪力墻通常設定為延性曲線的形式。剪力墻設計成具有強延性彎曲型，首先是希望在盡可能地改善整體建筑物的耐震特性，同時也是希望在較大程度上減少整體建筑物的對脆性材料剪力破壞。總之，在整體結構設計的過程中，剪力墻應該盡可能地適應強度、變形特性以及延性的特點，如此剪力墻才能在整體建筑物中發揮它所特有的價值。

3.3 防止平面外搭接現象的出現

通常，在設計普通建筑時，建筑設計的重心是處理樓板內部的扭曲變化和剪切變化。但是，隨著高層建筑結構層數越來越多，其水平方向的剛度不斷增加。這就導致了整個結構體系中所需要設置的剪力墻數目逐漸增多。因此，當豎向結構數量過多時，剪力墻的剪重比也會提高。在剪力墻結構設計流程中，必須實施各種舉措，盡量避免有平面外搭接的現象發生。該項工作的主要目的是使剪力墻達到設計要求，在建筑中發揮更好的作用。在剪力墻結構的設計流程中，如果不能避免剪力墻平面外搭接，則必須根據自身實際情況，實施科學相應的舉措，盡最大能力保證剪力墻平面外的安全。

3.4 進行精準的設計計算

剪力墻通常是用于抵擋由強風或地震所產生的水平荷載的，不過剪力墻的實際設計中也沒有越多越好。其實，在建筑施工過程中，要減輕建筑自身的載荷，提高建筑的抗震能力，我們就要盡可能減少剪力墻的數量。通常，剪力墻的施工都要注重對稱與平衡度。在進行總體設計的程序中，建筑剪力墻除要完成以上這三方面的設計要求以外，還要進行工程設計預算。在剪力墻結構建筑設計的過程中，通過對剪力墻的構造解析，需要同時從平面和豎向兩個方面解析構件的穩定性。當剪力墻的負荷相當大，就應該采用各種保護措施，使其達到相應的要求。

4 剪力墻結構設計在建筑結構設計中的實際應用

4.1 墻肢長度以及厚度的選取

在剪力墻墻肢實際長度和實際厚度兩個參數的選擇過程中，必須嚴格根據相關規范條例進行。剪力墻的實際標高，就叫做剪力墻的橫截面實際標高。而如果是采用較高的剪力墻的話，就會導致其承載力下降，這對于建筑物來說是非常不利的。所以，在對剪力墻構件進行方案設計的時候，必須要選用正確的方法。對于剪力墻墻肢寬度和墻高之間的比例來說，應該保持一個比較合適的值。因為這個比例如果選擇得不合理的話，就會對建筑物的安全性能造成較大的影響。一般來說，剪力墻的墻肢高度和墻肢高寬比的實體比例都必須符合[4]。

4.2 剪力墻的科學平面布局

在進行剪力墻設計的過程中，要盡量符合建筑主軸的雙向布置方向，在進行建筑結構抗震設計時，要盡量減少單向墻的出現。因為只有這樣才能保證高層建筑的整體穩定性和安全性，并且可以滿足人們對于居住環境要求提高的需要。

第一，如果建筑物的設計中涉及橢圓、弧線、或多邊形平面結構，剪力墻也可設計為環狀結構或沿徑向布置。這樣既能夠保證墻體不產生扭轉變形，又能使整個建筑物保持較高的剛度和強度。同時，在進行建筑設計時，應當考慮到豎向構件對其所受荷載的影響（如圖2所示）。

圖2 剪力墻荷載影響

第二，如果結構設計為Y型，則需要按照具體建筑物本身三軸的實際分布方向對剪力墻進行設置。科學的平面布局對于剪力墻主體結構的施工中起著重要的作用。相關作業人員在剪力墻的澆筑過程中，應當針對具體設計方案進行配件安裝，所有固定配件和連接件的放置應當穩固，不得有松散和變形。接縫處理時要求提高其嚴密和可靠性，防止了水泥泄漏問題的發生。另外，還應該做好鋼筋網鋪設工作，確保澆筑完成后能夠形成一個整體，從而使得整個工程更加穩固可靠。最后要注重做好材料運送保管和現場檢測的有關環節，以確保質量。在實際施工中一定要注意對混凝土強度進行嚴格檢驗，保證其符合相關規定要求。除此之外，還要根據具體的情況來選擇合適的施工工藝，這樣才可以保障工程質量。在建筑結構設計流程中，剪力墻通常設定為延性曲線的形式。剪力墻設計成具有強延性彎曲型，首先是希望在盡可能地改善整體建筑物的耐震特性，同時也是希望在較大程度上減少整體建筑物的對脆性材料剪力破壞。另外，在安裝相關模具的同時，必須對施工的行為做出相應的規定，最大限度減少安裝誤差的發生。因為高層建筑是一種相當復雜的結構體系，所以對其施工條件有很高要求;此外，由于我國人民生活水平提升和經濟社會發展，對高層房屋建筑的服務功能也有了更高需求。

第三，假如在建筑結構設計過程中產生了T型或矩形的平面構件，則有必要根據由它自身所構成的兩條軸線加以重新設計。這主要是因為這些結構都是由許多單元所組合而成，同時各個單元也有著不同的外形和尺寸，這樣才能滿足強度、剛度以及穩定性等方面要求;而且由于各個單元之間相互獨立，也不會出現錯動現象。

所以，在設計剪力墻構件的過程中，應該保持構件的對稱性和均勻性，并在整體構件中設置質量與強度平衡的核心，以確保墻體不產生扭矩。同時還需要對其內部構造以及施工環節都加以重視。只有這樣才可以使得整個工程順利達到預想的最終目標。在建筑結構的過程中，一定要保證剪力墻能夠滿足規范的要求，始終遵循簡單、切合現實生活的建筑結構設計原則。

4.3 約束邊緣構件處理

有關專家認為：無約束邊結構實體矩形截面剪力墻的整體極限強度比約束邊剪力墻減少了約37-40%，且極限層間移角約降低了一倍，對結構墻板穩定性有良好作用。通過研究分析發現:在相同條件下，與常規墻體相比，采用邊緣構件能夠提高整體建筑結構的抗震性能，具有良好的應用前景[5]。同時也可以為今后類似工程提供借鑒作用。剪力墻的邊界結構，通常由約束的約束邊界構件和結構中的構造邊界構件所組成。為提高剪力墻構件的穩定性，需要從不同類型和建筑物中科學合理地選擇并設置約束邊緣構件。

4.4 剪力墻連梁處理

當墻肢接受一定水平負荷時，墻肢也會出現不同程度的屈曲，從而使連續梁承受了相應的荷載。如果在剪力墻結構的設計過程中必須布置連梁，那就需要同時進行跨高比和配筋設計。由于跨高比和截面尺寸都受許多因素影響，要使連梁的跨高比和截面尺寸具有良好地適應設計條件，則我們可考慮采用下列措施:

第一，剪力墻洞口實際長度必須根據有關技術標準逐步增加，此外，連梁實際高度同時科學合理的降低。這么做的終極目的是合理減小連梁的實際剛度，同時提高整體建筑物的實際耗能性能。

第二，剪力墻厚度的增大。剪力墻厚度的增大也意味著連梁實際斷面的擴大，整體抗剪能力加強。

第三，應提高混凝土材料的等級。混凝土等級的大幅度提高可以大大提高整個建筑的剛度，增加連梁的抗震性能[4-5]。

5 結論

總的來說，剪力墻的施工設計應當符合規范與技術標準，并按照建筑的相關特性，合理地選用剪力墻構件、墻體構件的設置方法等，以確保剪力墻結構設計的整體經濟度和穩定性。