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

劉依寧 江西省建筑設(shè)計研究總院集團(tuán)有限公司工程師

隨著我國建筑工程項目規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人們對于建筑設(shè)計的安全給予了更多的關(guān)注和重視。在建筑設(shè)計的過程中，剪力墻結(jié)構(gòu)可以很好地保證建筑整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性，從而在很大程度上滿足人們的應(yīng)用需求。剪力墻結(jié)構(gòu)的形式較為多樣，可以適用于不同的地質(zhì)環(huán)境和建筑結(jié)構(gòu)需求，并且通過靈活運(yùn)用、合理選材，能夠保證整體設(shè)計的科學(xué)性和質(zhì)量。特別是在一些地震、臺風(fēng)等自然災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)，剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用能夠在很大程度上減小不同方向作用力的影響，提升整個建筑的強(qiáng)度。相較于傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)形式，剪力墻結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢，因此加強(qiáng)其在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用有著非常重要的作用和意義。

1 剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻在實際應(yīng)用的過程中是一種結(jié)構(gòu)墻體，也可以作為抗震墻使用。這種墻體的厚度相對較小，使用規(guī)模更大，具有較強(qiáng)的承載力[1]。剪力墻結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用，進(jìn)一步提升了建筑的整體支撐效果和抗壓效果，對保證建筑本身的安全性和穩(wěn)定性有著非常重要的作用。

為了能夠達(dá)到良好的使用效果并且滿足建筑設(shè)計的基本需求，在剪力墻使用的過程中需要在墻體設(shè)計一定的洞口，但是這樣反而會影響其本身的承載能力。在實際情況中，根據(jù)剪力墻洞口設(shè)計的不同可以將其分為幾個不同的種類。首先是實體剪力墻。這種類型的墻主要是指在剪力墻上沒有設(shè)置洞口，通常穩(wěn)定性和承載力非常強(qiáng)。其次是整體小開口剪力墻。該類型的剪力墻在使用的過程中墻體上會存在孔洞，但孔洞的面積并不大，通常不會超過整個結(jié)構(gòu)的15%。雖然洞口較小，但也會在一定程度上影響剪力墻結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和承載力，在使用過程中可能會導(dǎo)致連梁處出現(xiàn)反彎的情況。再次是連肢剪力墻結(jié)構(gòu)。該類型的剪力墻通常會在墻體上設(shè)置較大的洞口，對整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響較大，很難保證剪力墻具有較高的承載力，在一定程度上影響剪力墻結(jié)構(gòu)的承壓效果。最后是壁式框架剪力墻結(jié)構(gòu)。相較于連肢剪力墻結(jié)構(gòu)來說，該類型的剪力墻結(jié)構(gòu)在墻體上存在較大的洞口，會影響剪力墻結(jié)構(gòu)的整體承載力，使得設(shè)計效果不佳。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點

剪力墻結(jié)構(gòu)在應(yīng)用的過程中有很多優(yōu)點。首先，能夠花費較小的成本提升墻體結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量、強(qiáng)化墻體功能、減少設(shè)計以及施工的成本。其次，剪力墻本身具有較好的剛度和承載力，能夠承受各種負(fù)荷，對提升建筑的整體穩(wěn)定性和安全性有較強(qiáng)的促進(jìn)作用。最后，剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不僅能夠重新對建筑中的承重墻和分隔墻等進(jìn)行組合，而且能夠有效拓寬建筑的內(nèi)部空間，讓外部空間看上去更加美觀。

然而剪力墻結(jié)構(gòu)并不是只有優(yōu)點，其自身也存在一定的缺點。一是遇到外力的時候很容易在力的作用下產(chǎn)生形變。二是其應(yīng)用會在一定程度上增加重量，導(dǎo)致建筑的整體重量增加。三是承載力有待進(jìn)一步提升。四是雖然成本較低，可以有效節(jié)約資源，但延續(xù)性也會在一定程度上受到影響。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的應(yīng)用

3.1 基礎(chǔ)方案及平面布置

在剪力墻基礎(chǔ)方案及承重構(gòu)件設(shè)計的過程中，需要綜合考慮建筑周邊的地質(zhì)條件、水文條件、建筑群分布情況以及施工工藝等來進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)的綜合設(shè)計，進(jìn)一步提升基礎(chǔ)方案設(shè)計的可行性。剪力墻是一個平面性的墻體，所以平面布置非常重要。一方面，通過雙向布置設(shè)計的方式進(jìn)一步提升剪力墻的承重和抗力效果，對提升空間的利用率以及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益等方面都有著重要的作用。在墻體布置的過程中，需要始終堅持對稱性原則，不僅要滿足建筑墻體的承重要求，而且要符合審美需求。另一方面，剪力墻的中心要與整個建筑內(nèi)部空間的軸線保持一致，并且要保證其均勻性，以便能夠有效分散剪力作用。對于高度較高或是面積較大的建筑結(jié)構(gòu)來說，剪力墻的墻肢長度要保證合理并且使其形成一連串的聯(lián)肢墻，這樣有利于提升墻體的整體穩(wěn)定性，從而保證平面布局的合理性[2]。

3.2 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的整體質(zhì)量會對整個建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。通常情況下，剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的方式和剛度等必須要能夠滿足空間結(jié)構(gòu)以及抗震防御的需求。在設(shè)計的過程中，需要保證剛度中心與建筑中心一致，減少扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對整個建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，并且根據(jù)實際情況改變墻肢長度、連梁高度，以此來保證剛度中心位置與建筑中心重疊[3]。除此之外，由于其自身的特性，整體性能較好，相較于傳統(tǒng)的墻體來說能夠承受更大的水平地震作用。在具體設(shè)計的過程中，相關(guān)設(shè)計人員應(yīng)通過多種方式來對剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度、承載力等進(jìn)行全方面優(yōu)化，比如降低縱橫墻體的厚度、根據(jù)工程實際情況適當(dāng)增加墻體之間的距離、減少墻體使用的數(shù)量等，進(jìn)而對剪力墻結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行優(yōu)化與提升。

3.3 剪力墻厚度與配筋

合理控制剪力墻的厚度以及配筋能夠進(jìn)一步提升整體應(yīng)用效果。在剪力墻結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計的過程中，要根據(jù)建筑抗震需求以及相關(guān)規(guī)范中的要求進(jìn)行合理設(shè)計。但是部分規(guī)定在面對多層或是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候并不能完全適用。如果建筑結(jié)構(gòu)對于空間有一定的要求而不能設(shè)計外縱墻、翼墻等，則墻體的厚度需要達(dá)到320 mm 的最低值，同時進(jìn)行合理計算和分析，保證墻肢軸壓比滿足工程的實際需求。對于墻體配筋率的設(shè)計應(yīng)當(dāng)遵循我國相關(guān)規(guī)范中各項條款所規(guī)定的內(nèi)容，如《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中明確規(guī)定，如果抗震的等級為123 級，那么在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，其墻體的配筋率不得低于0.25%，加強(qiáng)部位的配筋率應(yīng)在0.3%及以上[4]。此外，設(shè)計人員在進(jìn)行配筋的過程中需要根據(jù)剪力墻的壓力進(jìn)行合理計算，并且以結(jié)果為基礎(chǔ)適當(dāng)增加鋼筋的用量，以滿足剪力墻結(jié)構(gòu)的建設(shè)需求，但需要考慮到剪力墻本身的形狀和厚度，如果盲目增加鋼筋的用量，會導(dǎo)致墻體自重過大。

3.4 大墻肢處理

剪力墻結(jié)構(gòu)本身具有一定的延伸性，在設(shè)計的過程中需要考慮這一特性對墻體整體承載力、安全穩(wěn)定性以及耐久性的影響。為了有效降低負(fù)面影響，在設(shè)計的過程中如果使用到較長的剪力墻，那么需要先保證這部分墻體自身的承載力能夠滿足工程的實際需求。同時，為了提高墻體的整體承載力，設(shè)計人員可以考慮將剪力墻結(jié)構(gòu)劃分為數(shù)量眾多的獨立墻段。如果使用較短的剪力墻，那么就需要通過配筋的合理設(shè)計來提高墻體的整體承載力和強(qiáng)度。而為了保證剪力墻結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量，施工前需要對剪力墻進(jìn)行開洞，并在施工完成后再將洞口砌填。

3.5 連梁設(shè)計

在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，連梁的設(shè)計有著非常重要的意義和價值。對于存在連梁的剪力墻來說，通常會受到跨度與截面大小等各方面因素的影響，如果在此方面的設(shè)計不盡合理，則會直接影響連梁的承載性能，導(dǎo)致截面和設(shè)計不一致，從而影響剪力墻的整體承載效果。因此，在連梁設(shè)計的過程中，設(shè)計人員通常需要掌握以下要點。

3.5.1 適當(dāng)折減連梁的剛度

為保證剪力墻結(jié)構(gòu)的性能，在計算時要根據(jù)工程的實際需求適當(dāng)折減連梁的剛度，并且以設(shè)防烈度為基準(zhǔn)來進(jìn)行或多或少的折減。但是在整個折減的過程中要保證折減系數(shù)的合理性，避免連梁本身的承載力受到較大影響[5]。

3.5.2 適當(dāng)提高洞口的寬度

根據(jù)工程的實際情況來適當(dāng)拓寬洞口的寬度，能夠達(dá)到有效且適度降低連梁本身剛度的目的。并且由于連梁結(jié)構(gòu)剛度的適當(dāng)降低能夠提升其對于地震波的抵抗力，因此對提高剪力墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性有著非常重要的作用。

3.5.3 適當(dāng)提升剪力墻的厚度

在剪力墻厚度設(shè)計的過程中，適當(dāng)增加剪力墻的厚度等同于增加了連梁截面的寬度。連梁截面的寬度越大，其承載力就越高，二者之間成正比例關(guān)系。但是加大剪力墻的厚度很可能會導(dǎo)致連梁抗剪承載力超限而影響整體結(jié)構(gòu)的承載力，因此設(shè)計人員需要根據(jù)實際情況進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化與解決，以便能夠保障充分發(fā)揮剪力墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性優(yōu)勢。

3.6 邊緣構(gòu)件設(shè)計

在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，邊緣構(gòu)件是非常重要的內(nèi)容。通常情況下，施工中會用到約束性邊緣構(gòu)件和無約束能力的邊緣構(gòu)件，相對于后者來說，前者在承載力上要更強(qiáng)，幾乎可以達(dá)到40%。實際設(shè)計的過程中，需要根據(jù)工程的實際情況來選擇合適的邊緣構(gòu)件種類。通常情況下，如果實際軸壓比大于可不設(shè)約束邊緣構(gòu)件的最大軸壓比，那么可以選擇約束性邊緣結(jié)構(gòu)構(gòu)件；而如果實際軸壓比小于可不設(shè)約束邊緣構(gòu)件的最大軸壓比，則選擇構(gòu)造類的邊緣構(gòu)件。

4 案例分析

某高層住宅共30 層，其中3 層為地下室，作為車庫以及設(shè)備用房；首層為架空層，層高為6.3 m；二層以上是住宅層，層高為3.2 m。在該工程中，二層設(shè)置的梁板是結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，安全等級為二級，地震設(shè)防烈度為7 度，建筑物的抗震類別為丙類。

4.1 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置

現(xiàn)階段，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置通常有厚板轉(zhuǎn)換層、巨型梁轉(zhuǎn)換層、巨型桁架轉(zhuǎn)換層等不同的結(jié)構(gòu)形式。在工程實施的過程中，轉(zhuǎn)換梁的形式較為常見，該方式受力明確且施工便捷，因此被廣泛應(yīng)用于各種剪力墻結(jié)構(gòu)中。本工程中使用了巨型梁轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式。受到建筑周邊環(huán)境與地形的影響，地下室的一個側(cè)面并沒有全部埋在地面以下，所以出于安全考慮，建筑物的計算高度從負(fù)三層地面標(biāo)高算起。工程是B 級高度，為了能夠有效提升整體結(jié)構(gòu)的承載力和延展性，并且控制好形變與耗能，本工程考慮使用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)來作底部框支梁與框支柱。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置

在標(biāo)準(zhǔn)層墻柱布置過程中，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)盡量保持結(jié)構(gòu)的剛度中心與建筑的質(zhì)量中心重合，這樣能夠有效降低扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對整個建筑的影響。當(dāng)建筑物本身的平面形狀變化凹凸較大的時候，在凸出端附近要布置一定數(shù)量的剪力墻，并且增加邊角部位剪力墻的剛度，以便能夠控制位移并且提高整體抗震性能。在本工程中，布置剪力墻的時候，縱橫剪力墻設(shè)計呈現(xiàn)出L 型或T 形的狀態(tài)，保證橫縱兩個方向上剪力墻的剛度基本一致。整個剪力墻結(jié)構(gòu)自上而下所使用的混凝土強(qiáng)度由C45 逐漸變成C30，剪力墻的厚度從300 mm 逐漸變成200 mm。在角窗位置設(shè)置高為1 200 mm 的梁，適當(dāng)提升地震作用下整個結(jié)構(gòu)的抗扭能力。

4.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計

在本工程中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計主要體現(xiàn)在以下幾方面。首先，框支柱方面。本工程的框支柱抗震等級設(shè)置為一級，其軸壓比不得大于0.6。對于部分短柱來說，其軸壓比設(shè)置不得大于0.5，配筋率不得小于1.5%，并且保證箍筋全長加密。這樣可以避免脆性剪切破壞，改善整個剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能。其次，框支梁方面。在本工程中，框支梁的寬度設(shè)置為500～1 000 mm，其受力巨大且情況較為復(fù)雜。框支梁結(jié)構(gòu)不僅是上下層荷載的傳輸樞紐，同時也是保證整個剪力墻抗震性能的關(guān)鍵部位，因此在設(shè)計的過程中設(shè)計人員會預(yù)留出較多的安全儲備。在本工程中的框支梁配筋率不小于0.5%，并且配備了足夠數(shù)量的腰筋，此外整個框支梁的設(shè)計始終堅持“強(qiáng)剪弱彎”的原則。

5 結(jié)語

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計和應(yīng)用能夠在很大程度上提升整個建筑的質(zhì)量，對提升建筑的安全穩(wěn)定性、整體剛度、承載力以及抗震性能等方面都有著非常重要的作用。為了能夠充分發(fā)揮出剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，相關(guān)設(shè)計人員必須要對剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢和劣勢加以分析，并且掌握該結(jié)構(gòu)應(yīng)用過程中的要點，進(jìn)一步突出剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，使該結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)一步提升建筑的整體質(zhì)量。