建筑結構設計中短肢剪力墻的技術要點研究

文／趙裕賡 甘肅省城鄉規劃設計研究院有限公司 甘肅蘭州 730030

引言：

施工技術體系的不斷成熟，使建筑工程的施工規模和施工高度也在不斷增大，在高層建筑工程施工過程中，經常會使用到短肢剪力墻這一結構，通過整理短肢剪力墻在應用中需要注意的相關內容，可以積累有價值的應用數據，這對于提升建筑結構設計安全性和耐久性有著積極的促進作用。

1、高層建筑的特點

基于以往應用經驗可以得知，高層建筑在應用中具有以下特點：（1）高層建筑的地上層數較多，可以縮減建筑內部豎向與橫向的交通距離，同時可以容納更多人員，如辦公高層寫字樓可以讓商業活動的密集度更高，提高相關活動的開展效率。（2）所占用建筑用地面積較小，高層建筑是指層數不低于30層，或總高度不低于100m的建筑，相比于傳統的多層建筑，高層建筑豎向空間利用率更高，但占地面積較小，在的土地存量背景下可以減少建設用地使用量，為其他產業發展提供土地支持。（3）目前高層建筑工程已經形成了比較穩定的施工體系，而且建筑工程施工過程中，所需要投入的綜合成本、施工工期較短，可以創造出更高的經濟效益。

2、高層建筑結構分析的基本假定

在高層建筑結構分析活動中，常用的基本假定如下：（1）彈性假定。在垂直荷載或一般風力作用下，結構通常處于彈性工作階段，這一假定基本符合結構的實際工作狀況。但是在遭受地震或強臺風作用時，往往會產生較大的位移，進入到彈塑性工作階段。（2）小變形假定。小變形假定也是各種方法普遍采用的基本假定。但有不少人對幾何非線性問題（P-Δ效應）進行了一些研究。一般認為，當頂點水平位移Δ與建筑物高度H的比值Δ/ H＞1/500時，P-Δ效應的影響便不能忽視，需采取措施進行整合，以提高分析結果的合理性。（3）剛性樓板假定，在高層建筑結構此項性能的分析中，會假設自身平面內的剛度處于無限大狀態，而平面外剛度處于忽略不計的狀態，以此來完成其他參數的假定分析工作。但是針對一些存在豎向剛度突變的結構，則需要考慮結構剪力參數變化情況，以提高分析結果的準確性與合理性。（4）計算圖形假定，目前在高層建筑計算圖形的分析中，共包含了一維協同分析、二維協同分析和三維空間分析，以三維協同分析為例，在分析時普通桿結構單元的每個節點都包含6個自由度，對于存在翹曲的截面，在分析時則考慮7個自由度。

3、短肢剪力墻結構體系的現狀

3.1 基本內容

一般情況下，短肢剪力墻是指截面厚度大于0.3m、墻體橫截面高度與其厚度比重處于4～8的墻體結構。在高層建筑工程的施工中，此類結構的使用較多，但是并不能將其作為全部墻體結構，需要和其他結構搭配在一起進行使用，以提高整個結構應用結果的穩固性。在短肢剪力墻具體應用中，會將梁體結構作為主要的關聯結構，以此來形成一個應用整體，達到預期的承載要求。目前常用的短肢剪力墻結構為T形、L形等（如圖1所示），在具體的選擇中也會結合高層建筑層數、建筑使用性質、設計方案等內容來進行選擇，以此來提高整個結構的穩定性，減少資源浪費的情況。

圖1 T形（左側）和L形（右側）短肢剪力墻結構示意圖

3.2 布置原則

進行短肢剪力墻布置時，應遵循以下應用原則：（1）對于整個高層建筑結構的縱向交通中心，需要適當增加短肢剪力墻結構數量，以此作為整個縱向交通中心的重要受力區域，以此來分流縱向上的墻體壓力。（2）雖然短肢剪力墻在使用中具有良好的應用優勢，但是在具體應用中需要做好數量控制，在確保高層建筑結構穩固性的基礎上，充分發揮出短肢剪力墻的支撐作用，降低過多使用短肢剪力墻帶來的成本增加問題。（3）在結構的應用布局上，需要做好結構的均勻化布置，基于結構剛度布置目標合理布局短肢剪力墻，中間也可以搭配若干長肢剪力墻，以提高結構應用后的呈現效果。第四，在短肢剪力墻布置上，需要保持相鄰結構的平行性，并且在方向上也需要進行對齊，以此來提高整個抗力結構的平整性與穩固性。

3.3 應用優勢

在短肢剪力墻結構的應用中，具有以下應用優勢：（1）結構的總重量較輕，相比于其他的支撐結構，短肢剪力墻的體積較小，質量較輕，這樣也可以降低高層建筑的整體荷載，有利于結構抗震性能的提升。（2）結構總長度較小，不同于長肢剪力墻，短肢剪力墻的長度在800～2000mm，寬度在180～250mm，在應用中具有更高的靈活性，設計人員可以根據實際情況對參數進行調整，以提高結構應用結果的可靠性。（3）具有良好的延展性，基于高層建筑的應用特點，其大長度與寬度可以更好地滿足結構要求，以提升結構應用結果的合理性。（4）結構隱蔽性強，此類結構在實際應用中，可以在不影響建筑工程功能性的同時，確保整個結構的平穩性。而且此類結構的隱蔽性較強，能夠增加房屋內部的實際使用面積，提升建筑空間的使用率。

4、短肢剪力墻結構的應用實例

工程概況：該高層建筑為民用建筑，地上共有35層，地下有3層，并且在建筑設計中使用到較多數量的短肢剪力墻結構，抗震烈度為7°，為了滿足這一建筑設計目標，在該工程項目的設計中，會使用到三級剪力墻，外部抗震框架為二級結構，建筑工程的主體結構使用現澆工藝進行制作，剪力墻的厚度為200mm，長度在800～1800mm之間，整個建筑工程的形狀為矩形，以滿足相應的使用要求。

4.1 結構計算分析

在結構計算分析活動中需要結合實際情況來選擇恰當的計算軟件，并確定最為合適的計算分析方法，以此來建立相應的數學計算模型，在模型中也會對各項參數進行合理化計算，從而得到更加準確的計算結果。并且在結構計算中也需要做好概念性設計，以提升數據計算結果的合理性，在短肢剪力墻的應用中，所使用到的結構會利用三維組元分析法來參與設計，以此來得到更加準確與可靠的計算結果，為后續分析活動的展開奠定基礎。

4.2 力學參數設計

在對短肢剪力墻結構進行設計時，需做好力學參數設計，以提升整個設計結構的穩定性。該建筑工程在施工中使用到了L型和T型的短肢剪力墻，在力學參數設計中應注意以下內容：（1）短肢剪力墻在設計中，需要對結構豎向荷載、風荷載、水平地震作用等參數進行計算，依托于得到的計算結果來調整力學結構，并且在計算活動中也需要進行結構偏心力、扭曲力、剪切力等參數計算，根據計算結果來調整結構扭曲參數，確保宏觀結構的穩固性。（2）基于結構剛度與長度成正比這一數學關系，結合該工程項目的應用特點，可以對墻體長度參數進行合理化設計，借此來確保整個墻體結構受力性能可以保持最大值，過程中需要做好合理選擇原材料的相關工作，以此來防止資金成本支出過量的情況。（3）在該工程的部分位置也會使用到異形墻，在正式應用前也需要基于實際情況來合理化設計各項參數，以提高整個結構設計結果的合理性。

4.3 結構參數合理化設計

在該工程短肢剪力墻結構設計中，也需要做好各項結構參數的合理化設計，在具體實踐中也需要注意以下內容：（1）計算水平地震作用力狀態下結構的剪重比，具體的計算公式如下：K≥C∑G，式中Ki表示在水平地震作用下在節點i上產生的剪力值；C表示剪力系數，n表示結構中的節點總數；G表示在高層建筑第a層所產生的重力荷載數值。參考相應規范來判斷該工程剪力值參數的合理性，對于不合理內容及時做出調整，以此來確保該結構的穩定性。計算短肢剪力墻剛重比，通常情況下該數值超過1.4才可以滿足高層建筑工程作業要求。代入公式后計算可得，該工程項目的短肢剪力墻剛重比為1.46，滿足系數超過1.4的要求，表示所設置短肢剪力墻結構滿足應用要求。計算軸壓比，該參數是指前高層建筑墻體和柱結構的軸力預設值和墻體、柱結構截面面積的抗壓強度設計值乘積，此數值能夠直觀反映出墻體和柱結構的受壓狀態，基于該數值來調整結構延性參數，以達到預期的設計效果。位移比計算，是指地震作用下結構的位移參數，在仿真實驗中結構的最大位移量為2.33cm，滿足規范要求，具有良好的應用價值。

4.4 配筋結構合理化設計

在對配筋結構展開優化設計時，所遵循的布筋規范如圖2所示，在具體的設計過程中，也需注意以下內容：（1）結合該工程項目的應用特征，其約束邊緣構件的配箍特征值應高出框架柱一級，而軸壓比數值控制在0.3以內，以此來提高該建筑邊緣構件的穩固性，確保其參數的合理性。（2）在短肢剪力墻截面高度的設計中，會將其數值控制在1200mm-2000mm，對于邊緣構件的長度該工程統一選擇450mm的規格，而配筋設計參考圖2中所示內容，確保最小配筋率參數的合規性。對于此次設計中的加強部位，縱向上的配筋率為1.3%，其他部位為1.1%，以確保整個結構加固結果的可靠性。（3）在短肢剪力墻水平方向上進行布筋時，為提升整個結構的穩固性，工程選用雙排布筋的方式，水平筋位于外部、豎向筋位于內部，拉結筋會呈現梅花形進行布置，相鄰間距控制在350mm，以此來確保整個應用結構的穩固性。另外，在豎筋的布置過程中，每一根豎筋都需要使用拉筋進行連接處理，使整個結構處于穩固的狀態。

圖2 配筋結構設計要求

4.5 結構抗震性能設計

在該工程短肢剪力墻設計活動中，也需要做好抗震性能設計，具體應用中需要確保結構受力過程的均勻性，防止結構在地震力作用下出現局部形變問題。在具體的設計活動中，具體包括以下幾方面：（1）需要控制好短肢剪力墻底部傾覆力矩設計，該工程的清理傾覆力數值為總傾覆力矩的 45%，滿足相應的設計要求。搭配相應的配筋率，提高整個結構的抗震性能。（2）該高層建筑中抗震等級為一、二級的短肢剪力墻結構，其加強位置的厚度值為250mm，而其中一字形結構，底部加強位置厚度設計值為230mm，使整個結構關聯在一起，可以形成穩固的抗震結構。該高層建筑中抗震等級為三、四級的短肢剪力墻結構，其加強位置的厚度值為200mm，底部加強位置厚度設計值為230mm，使整個結構關聯在一起，具備良好的穩定性；該高層建筑中不存在抗震等級的短肢剪力墻結構，其加強位置的厚度值為170mm，使這個結構均具有良好的穩定性。（3）對于高層建筑中抗震等級為一級的短肢剪力墻，其軸壓比控制在0.43左右；抗震等級為二級的短肢剪力墻，其軸壓比控制在0.45左右；抗震等級為三級和四級的短肢剪力墻，其軸壓比控制在0.47左右；無抗震等級要求的短肢剪力墻，其軸壓比控制在0.50左右，以滿足結構抗震性要求。

4.6 連梁結構合理化設計

除上述提到的設計內容外，在應用中還需要做好連梁結構設計，連梁的主要作用連接短肢剪力墻，梁結構跨度和高度之間的比值控制在4.5左右，使其可以具備良好的穩定性。同時在設計活動中也需要注意以下內容：（1）對連梁結構的正截面承載力、連梁彎矩的合理化設計，折減值控制在20%左右，隨后做好配筋參數的合理化設計，并利用以下的公式進行驗算：K≤1/C·F·S （H-h），式中K表示結構彎矩的設計值；C表示結構抗震調整系數；F表示鋼筋結構的抗拉設計數值；S表示鋼筋結構的總截面面積；H表示連梁截面的有效高度；h表示連梁截面受壓區的有效高度。（2）計算連梁截面應用規格，在具體的計算過程中所使用到的計算公式如下：V≤0.25α·F·b·H，式中V0表示調整后的設計值；b0表示連梁截面的寬度值；α表示混凝土強度影響系數。將相關數值代入后，可以得到相應的評估數值，并且對最小和最大配筋率進行合理化設計，以提高數據處理結果的合理性與可靠性。

5、短肢剪力墻結構的設計建議

5.1 完善墻體設計結構

完善墻體設計結構，可以提升整個結構的穩定性，充分發揮短肢剪力墻結構的應用價值。在具體實踐中，需要對現場施工情況進行整理，并以此來完成布局方案的優化處理，過程中也需要遵循相應的設計原則，明確剪力墻設計高度和抗震能力之間的關聯性。通常情況下，墻體結構的設計高度越低，剪力墻結構的抗震性能也越高。而且在具體的設計活動中，也需要基于建筑規范、樓層要求來確定最為合理的結構設計高度，同時在設計時也需要控制好墻體設計間距，結構也需要和外部縱向軸線保持對應關系，以提高整個建筑結構的橫向性能。另外，在實際的設計活動中，也需要遵循“強剪弱彎”原則，優化各項設計參數，以此來確保結構承載力穩定性，提高建筑外界因素的抗干擾性能。

5.2 合理布置彎曲結構

合理布置彎曲結構，能夠更好地保護地震環境下的墻體結構，確保建筑抗力與載荷的穩定性。綜合考慮高層建筑的應用特征，在短肢剪力墻的應用中會優選彎曲形態來進行設計，以提升建筑墻體結構的延伸性，提升結構的抗震效果。通常情況下，墻體結構的設計弧度會控制在15°以下，并且基于建筑規范、樓層要求來合理布局短肢剪力墻布局，做好縱向與橫向軸線的相對關系，以提升建筑結構的穩定性。除此之外，在高層建筑的設計活動中，也需要在合適位置布置足夠數量的抗震設備，搭配相應的抗震預防措施，能夠提升整個建筑結構的抗震性能，同時也可以降低地震作用下帶來的經濟損失，提高建筑外界因素的抗干擾性能。

5.3 嚴格遵循程序計算

嚴格遵循程序計算，能夠減少結構應用過程中各項成本支出，確保建筑工程結構的施工質量。在高層建筑設計活動中，需要依托計算程序來合理計算工程中所用短肢剪力墻的數量、長度、厚度等，搭配合理化的短肢剪力墻設計布局，在確保工程建設質量的同時，降低建筑工程施工成本支出。目前在計算活動中所使用的計算程序包括TBSA 薄壁桿系模型程序、 CTBA 墻元模型等，根據實際情況選擇相匹配的計算程序，以此來得到準確的數據計算結果，為后續工作的展開奠定基礎。需要注意的是，對于所計算的相關參數，也需要做好參數記錄工作，這樣也可以積累有價值的應用數據，為短肢剪力墻施工體系的完善提供良好參考。

5.4 縮短短肢剪力墻施工周期

縮短短肢剪力墻施工周期，可以不斷提升結構的抗震性能，提高整個結構的穩固性。在具體設計中需要關注結構柔軟度、剛度耦合量等內容，同時基于“強剪弱彎”核心理念，來對各項參數進行優化設計，以滿足相應的設計要求。例如，在該工程的施工中，短肢剪力墻結構的變形情況主要集中在墻肢底部，此時根據豎向荷載作用來對此問題進行分析，最后借助小墻肢和轉角墻肢等結構來增強薄弱位置，起到減少短肢剪力墻扭曲變形的作用。

結語：

綜上所述，完善墻體設計結構，可以提升整個結構的穩定性，合理布置彎曲結構，能夠更好地保護地震環境下的墻體結構，嚴格遵循程序計算，能夠減少結構應用過程中各項成本支出，縮短短肢剪力墻施工周期，可以不斷提升結構的抗震性能。通過整理高層建筑短肢剪力墻設計經驗，并提出相應的優化建議，對于提高短肢剪力墻結構應用價值，提高整個高層建筑穩固性有著積極作用。