剪力墻結構設計在建筑結構設計中的應用

甘俊

安徽實華工程技術股份有限公司 安徽 合肥 230000

引言

在建筑墻體的設計中，應善于運用剪力墻結構，特別是高層建筑的墻體。在進行剪力墻施工的時候，采用滑膜技術和模板技術，提高了施工的效率，提高了施工的質量。在混凝土剪力墻的澆筑中，大模板技術具有較高的技術水平，操作方便，抗震性強，整體性好。在建筑結構設計中應重視采用剪力墻結構，以提高施工效率與建筑質量。

1 剪力墻結構概述

1.1 剪力墻結構的概念和優點

剪力墻結構是以鋼筋混凝土剪力墻取代框架柱，使墻體能夠承受水平和垂直荷載，因此，提高結構的抗風、抗震能力。由于剪力墻結構具有高強度、高剛度、高穩定性，已被廣泛用于高層建筑。同時由于其經濟、使用效果好、滿足人們的審美要求，剪力墻在高層建筑中的地位日益重要[1]。

1.2 剪力墻結構的缺點

由于剪力墻在建筑或構筑物中起到了很大的作用，能夠對空間進行有效的劃分與維護，所以在結構設計上既要考慮結構，又要考慮平面的雙重布置要求。與傳統框架結構相比，剪力墻具有較好的抗側承載能力，但同時也有一些缺陷。剪力墻的間距限制性很強，不能很好地應用于大型建筑的設計。由于剪力墻本身質量較高、靈活性較差，所以在小面積的住宅、公寓等建筑中應用較多，而且作為建筑的主要承載構件，不能任意改變或拆除，從而制約了居民的個性化空間要求[2]。

1.3 結構分類

1.3.1 壁式框架剪力墻。墻式框架剪力墻的墻肢，連梁的剛度與墻體相似，且孔洞較大，這種剪力墻結構在樓層處的彎矩會有很大的改變，大部分樓層處都會出現反彎點，而且大部分的變形曲線都是剪切型的。

1.3.2 整截面剪力墻。顧名思義，就是為了保證剪力墻的完整性，不會有洞口或者面積很小的洞口。這種剪力墻結構在受力時，該結構的剪力墻肢彎矩呈直線性正應力分布，其變形曲線為彎曲型。

1.3.3 整體小開口剪力墻。該結構中的剪力墻在豎直方向上設有孔洞，盡管其開口面積大于正截面剪力墻，但其仍屬于小面積孔洞，而且整個懸臂梁對其力學特性有很大的影響。墻肢自身的彎矩很小，存在著突變的可能性，但不存在倒彎點，并且，在截面上，正應力是制線性的，其變形曲線為彎曲型。

1.3.4 連肢剪力墻。該結構在豎向上設置孔洞，孔洞面積越大，墻體的剛度越大。如果有多個孔洞，就是多肢剪力墻。當孔洞數量較少，面積較大時，為雙肢剪力墻。連肢剪力墻中的連梁會對墻體產生一定的限制，從而引起墻體的彎矩發生突變，產生一個反彎點，墻肢的局部受力作用使其正應力分布呈現出非線性，其變形曲線為彎曲型。

2 剪力墻結構在建筑結構設計中的設計原則

剪力墻結構具有美觀、經濟、承載能力強、剛度高等特點，可有效地改善建筑物對水平荷載的抵抗能力，同時結構整體穩定性得到了有效的改善。但是，我國至今尚無統一的剪力墻設計規范，所以在進行剪力墻結構的設計時，必須遵循以下幾點[3]。

2.1 拉通對直

在進行建筑結構設計時，要注意使上下兩樓層剪力墻的門窗與洞口保持豎直方向上的對直，同時為了保證剪力墻結構的抗震性能，對傳力方式進行了合理的設計。基于此，剪力墻結構應沿軸線拉通對直，以防止產生交疊、錯洞等問題，從而降低整體結構的整體性能。

2.2 雙向布置原則

在結構的水平方向、豎直方向上設置剪力墻，可以使其的抗震性能得到進一步的改善，同時也能保證其雙側抗側力。

2.3 豎向貫穿

合理的剪力墻結構應該沿著垂直方向自上而下地貫穿整個結構，如果在垂直方向上出現剪力墻結構變動，墻體的剛度和厚度都會隨之變化，進而對建筑物的抗震性能產生一定的影響，這時可以通過調節剪力墻單元的剛度來增強建筑結構其對側剛度的抗性，從而避免由于剛度突變而帶來的不利影響。

2.4 洞口宜成排成列、上下對齊

洞口對剪力墻的承載力、剛度均有影響，但隨著剪力墻結構長度的增加，其承受的荷載越多，采用適當的開洞可以有效地分擔荷載，采用弱梁將洞口連接，并將墻肢長度限制在8m以內。

2.5 與建筑高度適配

剪力墻結構按洞口的設計分為：實體剪力墻、小開口剪力墻、連肢剪力墻、壁式剪力墻等，并根據實際情況合理選用剪力墻，既能適應建筑物的受力要求，又能適應建筑物的高度要求。

3 剪力墻結構設計在建筑結構設計中的應用

3.1 承重構件以及地基基礎方案的設計

在進行剪力墻結構設計時，必須考慮到水文地質條件、周邊建筑分布、工程建設需求等諸多因素的影響因素，以保證其設計方案能夠與周邊環境協調、協調發展。設計人員要根據建筑施工環境和相關規范的要求，應對其承載構件進行合理的設計，從而保證結構的整體穩定性達到規范。為保證建筑結構的整體穩定性達到標準，應對剪力墻結構的承載構件進行合理的設計。在剪力墻結構設計中，以墻體的配筋率為重要指標，豎直及水平方向的配筋率不能低于0.25%，框支剪力墻的底層加固部位配筋率不能低于0.3%。在進行剪力墻結構設計時，應充分考慮地基基礎的重要性，注重對承重構件的設計和優化，并根據自己的設計經驗和工程參數，科學地制定施工技術參數及建設標準規范，以防止結構設計不合理而導致的建筑安全隱患，同時，經過多方論證，確保該設計方案的科學、可行[4]。

3.2 剪力墻結構的設計

在進行雙向設計時，要盡量使兩側的剛度保持一致，這樣才能在墻體內產生空間結構，尤其是在抗震設防區域。在設計時，盡量使墻體的平面分布均勻，使其剛性中心盡量接近建筑的中心，盡可能地減小其扭轉作用。當剛度中心與建筑中心的偏差較大時，可通過調節墻體的長度、連梁的高度來調節結構的剛度中心。剪力墻結構抗側剛度高，自振周期短，抗水平地震作用大，因此，剪力墻結構的抗震性能將受到很大的影響。減少墻體厚度，增加主次結構的剪力墻間距，減少墻體總數等措施來減少建筑結構的總質量，增強建筑物的抗側移剛度。剪力墻結構最大的優點是其承載能力和平面剛度好，但它的平面外承載力和剛度都很低，若將平面外向梁與剪力墻直接相連，則會增加墻肢的平面外彎矩，為了解決這一問題，可以采取半剛接的方法來調節墻肢的平面外彎矩。

3.3 大墻肢處理

在剪力墻結構設計的過程中，應充分考慮其延展性，如果不合理地處理，將會對其穩定、耐久性產生不利的影響。在保證剪力墻結構的承載力條件下，可以將大跨度的剪力墻分為若干個單獨的墻段，以提高其穩定性，防止由于外力的影響而導致整體剪力墻受到損害，為了達到這一目標，可以在長的剪力墻結構上適當地開洞，也就是說，將長墻肢改造成墻肢，然后在工程完工后進行修補。

3.4 剪力墻厚度的控制與配筋

通常，剪力墻結構的高、寬都是比較大的，但其厚度比較小，其受力特性與柱類似，主要是高厚比的差別，當高厚比小于4時，可以參考柱進行時設計；在高厚比為4左右時，可以參考異形柱的設計思路，進行雙向受壓結構設計。

3.4.1 剪力墻結構厚度設計。按國家有關法規，若建筑工程抗震等級為一、二級，剪力墻結構底部加強部分的厚度應在2cm以上，其高度為層高的1/16，而剪力墻的其他結構的厚度不能小于1.6cm；如果剪力墻結構的末端沒有翼墻，那么應大于層高的1/12。但有關規定并不能應用于全部的建筑物，例如在設計中，當樓層數為5～15的時候，這種情形下的剪力墻肢在重力作用下的軸壓比一般都在0.2以下，如果按規范計算，則底部功能要求3.9m的層高，墻體厚度至少2.4cm。如果存在這種情況，根據實際工程實際，設計人員應對墻體的軸壓比進行再設計，并對剪力墻的截面進行強度校核，合理地確定鋼筋的配筋率，使其整體性能達到建筑要求。

3.4.2 墻體配筋率設計。我國已明確提出，在抗震等級為一二三級的剪力墻結構中，其豎直與水平方向的最小配筋率不得低于0.25%，而在某些框支剪力墻的底部加固部位，其配筋率不得低于0.3%。這種方法適用于高度較高、長度較長的剪力墻結構，可以明顯地改善其穩定性，但在低層剪力墻結構中，應反復驗證配筋率的合理性。

3.5 連梁的設計與優化

連梁主要起到支撐墻肢的功能，墻肢在承受較大水平荷載時會產生彎曲，這樣會對連梁的平直度產生一定的影響，導致整個墻肢的結構不穩定。優化墻肢的受力狀況可以避免墻肢的彎曲，因此，在實際工程中，合理的連梁設計也將極大地影響到剪力墻結構的整體性能。

在各種剪力墻結構中，連梁并非必需的結構，但是，對于有連梁的剪力墻結構來說，如果沒有合理的設計，必然會對連梁的承載力產生影響，甚至出現截面與設計不相符的現象。因此，在設計連梁時，應注意：①折減連梁的剛度，連梁的跨高較低，與之連接的墻體剛度大，在水平應力的作用下，連梁可能會受到很大的內力，從而引起連梁開裂或斷裂，因此，在設計時要合理地降低連梁的剛度，如果抗震設防烈度較小，可以降低折減系數，在抗震設防烈度大的情況下，折減系數應適當增加，而折減系數應不小于0.5；②增大洞口的寬度，降低連梁高度，可以顯著降低連梁的剛度，提高結構的抗震性能；③根據工程實際，適當增大剪力墻的厚度。

4 設計剪力墻結構時應注意的要點

剪力墻結構設計的科學性與合理性對于確保建筑物的穩定起著舉足輕重的作用，下面將簡要總結出三個方面的設計要點，其他的一些優化措施則需要設計人員根據具體情況進行靈活的調整。

隨著建筑的結構、樣式的不斷變化，剪力墻結構的形式也會有所不同，其所承受的荷載、荷載分布以及整體剛度也會有很大的差異。為保證剪力墻能夠均勻分擔荷載，應按照有關規范合理地設定剪力墻的厚度，墻肢的截面高度為其厚度的8倍或更大。

剪力墻結構的外形也會對其穩定產生影響，目前已有的剪力墻結構形式多為 T型和 L型，可以有效地減輕自身的重量，減小自身的體積，提高其側向剛度，從而大大節省了工程造價。

剪力墻結構的穩定性與其各個部件的質量有關，除控制連梁、墻肢等外，還應對暗柱、翼墻、端柱等邊緣構件進行控制，并適當增大邊緣構件的截面，以保證整體剛度，避免層間產生位移。

5 結束語

剪力墻結構在高層建筑中占有舉足輕重的地位，其是確保建筑物整體的可靠、安全的重要因素。所以，在進行高層建筑剪力墻結構時，必須對其進行質量控制。由于剪力墻結構的承載能力強、剛度大等特點，在建筑工程中得到了廣泛的應用。此外，在剪力墻結構設計的過程中，應充分考慮與其他結構的連接，以確保整體結構的合理設計。為了更好地發揮剪力墻結構的優越性，有關設計人員需要分析其優缺點，掌握其應用要領，從而進一步凸顯其優越性，進一步提高建筑物的整體質量。