建筑工程結構設計中剪力墻結構設計要點分析

聶良珍

（廣州市設計院集團有限公司，廣東廣州 510620）

0 引言

剪力墻作為一種由鋼筋混凝土墻板負責承受水平力與作用力的建筑結構型式，具備十分優異的承載性能與空間分割作用，在現代建筑工程中得到廣泛運用，有利于提高工程綜合效益。與此同時，隨著工程建設規模的擴大，以及建筑總高度的增加，對剪力墻結構性能提出了更高要求。在這一工程背景下，如何持續提高剪力墻結構設計水準，是當前一項重要課題，本文就此開展研究。

1 建筑工程剪力墻結構設計概述

1.1 剪力墻結構種類

在現代建筑工程中，根據洞口留設情況與形狀相對位置等因素，可以將剪力墻結構劃分為整面剪力墻、小開口剪力墻、壁式框架以及聯肢剪力墻4 種，各類剪力墻結構的組成情況、受力特點與適用范圍存在明顯差異。

（1）整面剪力墻為墻身上未預留洞口，或是墻壁總面積中開洞面積占比在15%以內的剪力墻，這類結構有著以彎曲變形為主的受力特點，可將其視為一種基礎上坐落深梁的結構形式。

（2）小開口剪力墻是在墻身上預留一定數量的洞口，開洞面積略大于整面剪力墻開洞面積，開洞面積占比保持在15%～30%區間內，要求在墻身上規律性排列洞口，這類剪力墻的受力特點、抗震性能與整面剪力墻基本一致。

（3）壁式框架是在墻身上按順序排列預留尺寸較大洞口，有著洞口尺寸超過聯肢、墻肢寬度較小、連梁線剛度和剩余墻肢線剛度基本一致的結構特點，這類結構以剪切變形為主，受力特點與框架結構高度相似。

（4）聯肢剪力墻是在墻身上成列布置面積大于小開口洞口的剪力墻結構，因布置洞口而破壞墻身截面整體性，使整體性墻身被分解為若干連梁約束墻肢，但并未改變結構整體受力特點。

1.2 設計優勢

相較于框架結構等建筑結構型式，剪力墻結構設計優勢主要體現在經濟性、連續性、穩定性與規則性4 個方面。

（1）在經濟性方面，剪力墻結構的鋼筋用量較少，綜合施工成本略低于框架式梁柱等結構型式，設計人員還可采取使用輕質隔墻材料、減少剪力墻布置數量與厚度等措施，在滿足建筑使用需求、保障結構安全的前提下，進一步降低建筑結構造價成本。

（2）在連續性方面，雖然剪力墻結構會從橫向和縱向方向將建筑室內空間分割為若干功能區域，但各區域之間保持十分緊密的內在聯系，相互關聯而組成整體結構。簡單來講，剪力墻結構具備良好的整體性與空間作用。

（3）在穩定性方面，剪力墻在結構承載、抗側力等方面的表現由于框架結構，具備較強的建筑支撐能力，極大提高了建筑物穩定性，因而多用于建造高層建筑。

（4）在規則性方面，剪力墻結構強調于體現規則性來保證功能區域劃分的合理性，一般情況下，設計人員在建筑平面軸線方向上對稱布置剪力墻，必要時對收縮力較大等特殊部位墻身鋼筋分布情況進行調整即可[1]。

1.3 設計原則

在建筑剪力墻結構設計環節，為充分發揮結構功能效用，設計人員需要嚴格遵循調整樓層最小剪力系數、調整連梁超限、調整樓層間最大位移與樓層高比例3 項設計原則。

首先，調整樓層最小剪力系數原則，設計人員可采取大開間設計、增加剪力墻結構剛度等措施，最大限度把各樓層間剪力系數控制在最小程度，這將起到提高結構穩定性與強化抗震性能的作用，確保建筑物遭受外部地震能量沖擊時，剪力墻底部結構可以消除40%及以上震感。

其次，調整連梁超限原則，設計人員根據工程實際情況來計算最佳的剪力墻剪力與彎矩限度比，一般情況下通過調整剪力墻跨高比例與連梁跨比來保證剪力墻剪力與彎矩比不超過限度要求，同時，設計人員也應從工程造價層面來考慮這一問題。

最后，調整樓層間最大位移與樓層高比例原則，在早期建筑工程中，為解決剪切變形問題，普遍選擇調整縱向構件數量的方法，在合理范圍內增加構件數量而改變結構減重比例，但會由此引發樓層扭轉問題。對此，設計人員需要適當縮減樓層間扭轉角度、計算相鄰樓層的層高位移比是否在合理范圍內，不得在樓層間僅設置少量構件[2]。

2 不同布局的建筑結構設計方法差異化對比分析

2.1 布局設計

建筑剪力墻結構主要由剪力墻、梁、板等部分組成，不同部分的布局設計方法與要求存在明顯差異，具體如下。

（1）剪力墻布局設計。設計人員應樹立合理范圍內減少剪力墻數量、體現平面豎向規則性、把控剪力墻長度與取消無效邊緣構件的設計思路，以此來確保剪力墻結構具備足夠的抗側剛度與抗扭剛度，具體從均勻布置剪力墻、減少扭轉效應、剛度均勻變化、平面內軸壓比值相似方面著手。其中，均勻布置剪力墻是在各結構平面單元中對稱布置剪力墻，要求剪力墻位于建筑平面主軸兩側，或是布置在有利于結構承載的隔墻位置，一般情況下，把相鄰剪力墻間距控制在4.5～6m 以內、剪跨比在2 以上，且各處剪力墻的長短墻比例保持均勻狀態，避免個別墻肢受外部作用力影響而率先破壞。減小扭矩效應通過增強結構抗扭剛度與控制結構中心剛度來實現，主要采取計算建筑結構中部剪力墻最佳數量、在合理范圍內布置最少數量剪力墻的實現方法。剛度均勻變化是在建筑高度方向上均勻調整墻身厚度，非必要情況下不得在高度方向上出現剛度突變問題，并在底部加強區域內增加墻厚值。平面內軸壓比值相似是由設計人員使用PKPM 軟件，計算各套初步設計方案中的墻肢軸壓比數值，優先選擇軸壓比值最小的設計方案，軸壓比值越小，則剪力墻布置越均勻，起到減小結構自重、最大限度發揮剪力墻水平與豎向承載力的作用[3]。

（2）梁、板布置。設計人員盡可量對樓層梁傳力路徑進行簡化處理，如果樓層梁布置數量過多，會增加傳力路徑復雜程度，造成多重傳力、影響建筑美觀與增加工程造價等后果，在隔墻開設小洞口或是樓板跨度較小情況下可以取消樓層梁。同時，綜合分析水電管線敷設需求、撓度等因素來計算最佳樓板厚度值，根據板厚來調整樓層梁間距。一般情況下，把樓層梁跨度控制在5m 以內、樓板厚度控制在120mm 左右即可。

2.2 抗震設計

抗震性能是衡量建筑物安全系數與結構設計質量的一項重要指標，在現代建筑工程中，對剪力墻結構抗震性能提出嚴格要求，將抗震目標設定為“小震不壞、中震可修、大震不倒”。具體來說，要求剪力墻結構遇到低于當地抗震設防烈度地震災害時不出現結構破損問題，遇到和當地抗震設防烈度相當地震災害時的結構破損程度在后續可修復范圍內，遇到遠超當地抗震設防烈度地震災害時不會在震中出現建筑物倒塌情況。

為增強建筑物抗震性能，設計人員需要在剪力墻結構設計方案中采取多道設防、延性結構塑性變形、平面外穩定性控制、平面對稱布置的措施。

（1）多道設防是在結構體系中延伸設置多道抗震防線，如把連梁與剪力墻分別作為一道防線、二道防線，在上道防線被破壞后，由下道防線繼續抵抗地震作用，避免建筑結構受損嚴重。

（2）延性結構塑性變形是通過增加剪力墻與樓層梁等構件延性、保持節點承載力超過構件承載力，使剪力墻結構具備良好延性，建筑物在遭受地震能量沖擊時可以耗散部分能量、由變形能力抵抗地震作用。

（3）平面外穩定控制是采取沿梁軸方向設置扶壁柱、保持墻肢與平面外方向樓面梁相互連接狀態、減小梁端部彎矩對墻彎矩等措施，通過控制平面外彎矩值來維持平面外結構穩定狀態。

（4）平面對稱布置是在剪力墻結構平面方案中在軸線兩側對稱布置剪力墻等構件，保持質量和剛度中心接近狀態、平面剛度均勻狀態，以此來消除結構抗震薄弱部位、控制震中建筑物扭轉程度[4]。

2.3 邊緣構件設計

在邊緣構件設計環節，重點掌握配筋設計、超筋處理梁兩方面的設計要點。

首先，在配筋設計方面，將邊緣構件分為約束邊緣構件與構造邊緣構件兩種。以構造邊緣構件為例，位于建筑結構體系的底部加強部位和其他部位，遵循《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010），根據建筑抗震等級來確定縱向鋼筋最小量、箍筋最小直徑值與豎向最大間距值。在一級抗震建筑工程中，要求底部加強部位的縱向鋼筋量不得低于1%構件截面積、箍筋直徑值不得小于8mm、箍筋豎向間距值不得超過100mm；其他部位的縱向鋼筋量不低于0.08%構件截面積、箍筋直徑不小于8mm、箍筋豎向間距不超過150mm。

其次，在超筋處理方面，如果在剪力墻結構計算結果中出現結構梁彎矩設計值超出梁身極限承載能力、混凝土梁相對受壓區高度超限、梁身縱向受拉鋼筋配筋率超過2.5%等問題時，即可表明建筑剪力墻結構超筋，要求設計人員根據問題類型來采取相應處理措施。例如，在剪力墻結構水平超筋、剪力墻抗剪情況異常時，需要采取加密水平筋間距的處理方法。而在剪力墻連梁超筋時，主要原因是剛度超標、抗剪不足，可以采取折減連梁剛度、減少連梁高度以及增加洞口尺寸的處理措施[5]。

2.4 墻肢構造設計

在剪力墻墻肢構造設計環節，設計人員應重點掌握截面厚度設定、底部加強部位高度設計、墻肢配筋3方面的設計要點。

（1）截面厚度設計方面，綜合分析建筑抗震等級、剪力墻所處部位、剪力墻種類等因素來確定剪力墻截面厚度最小值。例如，對于抗震等級為一級、二級的建筑工程，要求加強部位剪力墻截面厚度在層高/墻肢長1/16 以上、最小不得低于200mm，其他部位墻身截面厚度在層高/墻肢長1/20 以上、最小不得低于160mm。而在建筑結構體系中設置一字型剪力墻時，要求底部加強部位和其他部位的剪力墻截面厚度在220mm 和180mm 及以上。

（2）底部加強部位高度設計方面，普遍選擇把底部存在出現塑性鉸現象高度范圍當作底部加強部位，起到強化剪力墻結構受剪承載力的作用。為保證建筑總體結構具備優異抗傾覆能力與彈塑性變形能力，設計人員應以地下室頂板作為起點，延伸至計算嵌固端，將地下室頂板-嵌固端之間作為底部加強部位，或是將1/10 墻肢豎向總高度作為底部加強部位高度。

（3）墻肢配筋方面，綜合分析建筑抗震等級、結構部位、墻身種類等因素來確定剪力墻配筋率最小值，如果配筋率不達標，建筑結構在使用期間有可能出現開裂等質量通病，存在安全隱患。以普通剪力墻結構的水平向與豎向鋼筋為例，要求抗震等級為一級、二級與三級建筑物的剪力墻水平向、縱向鋼筋配筋率在0.25%及以上，抗震等級為四級的建筑物剪力墻配筋率在0.2%以上即可。

2.5 連梁設計

在建筑剪力墻結構中，連梁起到保證結構高度、控制結構側移量等重要作用，但在設計期間偶爾出現連梁過度抗剪的問題。因此，為預防此類問題出現，設計人員需要在連梁設計環節掌握增加梁身截面積、調整設計應力兩項要點，確保連梁功能作用得到充分發揮。首先，增加梁身截面積，在合理范圍內適當增加梁身截面積，以此來強化連梁抗剪能力。同時，根據工程實際情況來選擇截面積增加方式，優先增加梁高，在保持連梁寬度固定狀態下有效增加梁身截面積，必要時也可采取擴大梁寬的方式，但不會明顯提高連梁剛度。其次，調整設計應力，此項方法適用于改變梁截面積無法優化抗剪承載性能的情況，設計人員人為降低連梁剛度來調整結構剪切力分配方案，如調整連梁剛度折減系數。

2.6 經濟性設計

目前來看，建筑剪力墻結構的造價成本較高，建筑企業承擔較大的資金壓力，工程經濟效益也存在優化提升空間。因此，為幫助建筑企業取得理想工程收益，在保障建筑使用安全與結構性能達標的前提下，設計人員需要做好經濟性設計工作，具體采取選用輕質隔墻、優化剪力墻平面布局、減輕結構自重、控制剪力墻配筋率等手段。例如，在建筑結構中設置陶粒砌塊、泡沫混凝土填充料等材質的輕質隔墻，并在隔墻內嵌入少量高強度等級鋼筋，從而起到減少造價成本、減輕結構自重量、減輕建筑結構震中破損程度等多重作用。剪力墻平面布局優化是在保證剛度與承載性能達標情況下，適當增加相鄰剪力墻間隔距離來節省用量成本，優先選用一字型與T 形等形狀簡單、易于操作的剪力墻來降低作業難度、減少施工成本。

3 結語

綜上所述，在現代建筑工程中，剪力墻結構型式展露出廣闊應用前景，也是高層建筑工程首選結構型式之一。建筑企業與設計人員理應提高對建筑剪力墻結構設計工作的重視程度，明確設計原則，切實掌握布局設計、抗震設計、邊緣構件設計、墻肢構造設計、連梁設計、經濟性設計等要點，為工程建設質量提供有力設計保障，順利達成預期設計目標。