論剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘要：剪力墻結(jié)構(gòu)是常見的建筑結(jié)構(gòu)形式，在建筑結(jié)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用。了解剪力墻結(jié)構(gòu)的基本性能，掌握其分析與設(shè)計(jì)方法，是從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析的基礎(chǔ)。本文結(jié)合剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)理論，分析了剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并就其在工程中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：剪力墻；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；應(yīng)用分析

前言

剪力墻結(jié)構(gòu)是指縱橫向主要承重構(gòu)件全部為結(jié)構(gòu)墻的結(jié)構(gòu)。當(dāng)墻體處于建筑物中合適的位置時(shí)，它們能形成一種有效抵抗水平作用的結(jié)構(gòu)體系，同時(shí)，又能起到對(duì)空間的分割作用。近年來(lái)，由于建筑需求的增加和用于建造住宅的土地供應(yīng)緊張，高層建筑的建造成為眾多開發(fā)商的首選，推動(dòng)了剪力墻結(jié)構(gòu)日益廣泛的應(yīng)用。因此為了更好的適應(yīng)不斷變化的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)，促進(jìn)建筑事業(yè)的發(fā)展，有必要加強(qiáng)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用，以提高剪力墻結(jié)構(gòu)的綜合利用率。

1.剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

1.1剪力墻的分類及其受力特點(diǎn)

為滿足使用要求，剪力墻常開有門窗洞口。理論分析和試驗(yàn)表明：剪力墻的工作特點(diǎn)和分類與其所開洞孔的大小和數(shù)量有關(guān)。剪力墻按受力特性的不同可分為整體墻、小開口整體墻、聯(lián)肢墻和壁式框架（如圖1）。不同類型的剪力墻，其截面應(yīng)力分布也不相同，計(jì)算其內(nèi)力和位移時(shí)則需采用相應(yīng)的計(jì)算方法。

（a）整體墻 （b）整體小開口墻 （c）雙肢墻 （d）整式框架

圖1剪力墻分類示意圖

（1）整體墻：無(wú)孔洞或孔洞很小的剪力墻稱為整體墻，其受力特點(diǎn)如同豎向懸臂梁。在水平荷載作用下，當(dāng)剪力墻高寬比較大時(shí)，其受彎變形后的截面仍然符合材料力學(xué)中的平截面假定，截面上的正應(yīng)力呈線性分布。

（2）整體小開口墻：當(dāng)剪力墻上所開洞孔的面積稍大時(shí)，在水平荷載作用下的這類剪力墻，其截面上的正應(yīng)力分布略偏離直線分布的規(guī)律，變成相當(dāng)于整體墻彎曲時(shí)的直線分布應(yīng)力之上疊加了墻肢的局部彎曲應(yīng)力，當(dāng)大部分樓層上的墻肢不出現(xiàn)反彎點(diǎn)時(shí)，稱這類剪力墻為整體小開口墻[1]。

（3）聯(lián)肢墻：當(dāng)剪力墻上所開的洞孔較大且連梁的剛度比墻肢的剛度小得多時(shí)，在水平荷載作用下的這類剪力墻，其連梁跨中會(huì)出現(xiàn)反彎點(diǎn)，各墻肢的單獨(dú)工作能力也比較明顯，可看成是若干單肢剪力墻由連梁聯(lián)結(jié)起來(lái)的剪力墻。

（4）壁式框架：剪力墻洞孔開得越大，各墻肢的獨(dú)立工作能力越明顯。當(dāng)連梁的剛度很大，而墻肢的剛度相對(duì)較弱時(shí)，剪力墻的受力狀況已接近普通框架的受力特性，其特點(diǎn)是墻肢截面的法向應(yīng)力分布明顯出現(xiàn)局部彎矩，在許多樓層內(nèi)墻肢有反彎點(diǎn)。

1.2確定剪力墻的厚度

剪力墻厚度的大小與建筑物的層數(shù)、高度、荷載大小、截面承載力、開裂、減輕自重、軸壓比的要求及施工條件等因素有關(guān)，一般根據(jù)結(jié)構(gòu)的剛度和承載力要求確定。對(duì)于有抗震設(shè)防要求的剪力墻，其在底部加強(qiáng)區(qū)的厚度宜適當(dāng)增大。剪力墻最小厚度的選用還需要保證墻體本身的穩(wěn)定和施工方便[2]。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定剪力墻的厚度，也可采用下列公式來(lái)估算剪力墻的厚度：

一般剪力墻的厚度：

按抗震等級(jí)為三、四級(jí)和非抗震設(shè)計(jì)時(shí)：

式中 為剪力墻厚度； 為樓層層高或剪力墻無(wú)支承長(zhǎng)度。

2.剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1剪力墻的布置

剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻宜沿主軸方向或其他方向雙向布置，不同方向的剪力墻宜分別聯(lián)結(jié)在一起，以形成空間結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)的剪力墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)避免僅單向布置剪力墻的結(jié)構(gòu)形式，并宜使兩個(gè)方向抗側(cè)剛度接近，即兩個(gè)方向的自振周期宜相近。剪力墻墻肢截面宜簡(jiǎn)單、規(guī)則。剪力墻的抗側(cè)剛度及承載力均較大，為充分利用剪力墻的能力，減輕結(jié)構(gòu)自重，增大結(jié)構(gòu)的可利用空間，剪力墻不宜布置得太密，使結(jié)構(gòu)具有適宜的側(cè)向剛度。

剪力墻布置對(duì)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度有很大的影響，剪力墻沿高度不連續(xù)，將造成結(jié)構(gòu)沿高度剛度突變。所以，剪力墻宜自下到上連續(xù)布置，避免剛度突變。允許沿高度改變墻厚和混凝土等級(jí)，或減少部分墻肢，使抗側(cè)剛度沿高度逐漸減小。在地震區(qū)，細(xì)高的剪力墻容易設(shè)計(jì)成彎曲破壞的延性剪力墻，而低矮墻屬剪切脆性破壞，抗震性能差，為此宜將剪力墻設(shè)計(jì)成高寬比H/B較大的墻。當(dāng)剪力墻較長(zhǎng)時(shí)，將其分成長(zhǎng)度較為均勻的若干墻段，墻段之間宜采用弱連梁連接，每個(gè)獨(dú)立墻段的總高度與其截面高度之比不應(yīng)小于2，且墻肢截面高度不宜大于8m。

此外剪力墻洞口的布置，會(huì)極大地影響剪力墻的力學(xué)性能。為此規(guī)定剪力墻的門窗洞口宜上下對(duì)齊，成列布置，形成明確的墻肢和連梁，其應(yīng)力分布比較規(guī)則，又與當(dāng)前普遍應(yīng)用的計(jì)算簡(jiǎn)圖較為符合，設(shè)計(jì)結(jié)果安全可靠

2.2梁端部彎矩的設(shè)計(jì)

剪力墻的特點(diǎn)是平面內(nèi)剛度及承載力大，而平面外剛度及承載力都相對(duì)很小。當(dāng)剪力墻與平面外方向的梁連接時(shí)，會(huì)造成墻肢平面外彎矩，而一般情況下并不驗(yàn)算墻的平面外剛度及承載力。應(yīng)控制剪力墻平面外的彎矩，當(dāng)剪力墻墻肢與其平面外方向的樓面梁連接時(shí)，且梁截面高度大于墻厚時(shí)，可采用以下措施減小梁端部彎矩對(duì)墻的不利影響：沿梁軸線方向設(shè)置與梁相連的剪力墻，以抵抗該墻肢平面外彎矩；當(dāng)不能設(shè)置與梁軸線方向相連的剪力墻時(shí)，宜在墻與梁相交處設(shè)置扶壁柱；扶壁柱宜按計(jì)算確定截面及配筋；當(dāng)不能設(shè)置扶壁柱時(shí)，應(yīng)在墻與梁相交處設(shè)置暗柱，并宜按計(jì)算確定配筋；當(dāng)與剪力墻相連的樓面梁為鋼梁時(shí)，剪力墻內(nèi)宜設(shè)置型鋼，鋼梁應(yīng)與型鋼連接[3]。

除了加強(qiáng)剪力墻平面外的抗彎剛度和承載力以外，還可采取減小梁端彎矩的措施。對(duì)截面較小的樓面梁可設(shè)計(jì)為鉸接或半剛接，減小墻肢平面外的彎矩。鉸接端或半剛接端可通過(guò)彎矩調(diào)幅或梁變截面來(lái)實(shí)現(xiàn)，此時(shí)應(yīng)相應(yīng)加大梁跨中彎矩。

2.3抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

剪力墻結(jié)構(gòu)的一個(gè)結(jié)構(gòu)單元中，當(dāng)有少量長(zhǎng)度大于8rn的大墻肢時(shí)，計(jì)算中樓層剪力主要由這些大墻肢承受，其他墻肢承受的剪力較小，一旦發(fā)生地震，尤其高烈度地震時(shí)，大墻肢容易首先遭受破壞，而小的墻肢的承載力有限，使整個(gè)結(jié)構(gòu)的各墻肢可能被各個(gè)擊破，這對(duì)結(jié)構(gòu)是極為不利的。同時(shí)，細(xì)高的剪力墻（高寬比大于2）容易設(shè)計(jì)成彎曲破壞的延性剪力墻，從而可避免脆性的剪切破壞。因此較長(zhǎng)的剪力墻宜開設(shè)洞口，將其分成長(zhǎng)度較為均勻的若干墻段，墻段之間宜采用弱連梁（跨高比宜大于6的連梁）連接，每個(gè)獨(dú)立墻段的總高度與其截面高度之比不應(yīng)小于2。獨(dú)立墻段宜通過(guò)設(shè)置門窗洞口或結(jié)構(gòu)洞使洞口間的墻肢截面高度不宜大于8m。較短墻肢受彎產(chǎn)生的裂縫較小，墻體的配筋能較充分發(fā)揮作用，有利于改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

3.剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)材料優(yōu)化

剪力墻材料用量是整個(gè)結(jié)構(gòu)材料用量的核心。在滿足安全適用的前提下，如何減少剪力墻材料用量是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師研究探討的重要課題。剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化也是首先從減少剪力墻結(jié)構(gòu)材料的角度考慮的。

影響剪力墻材料用量的幾何因素有長(zhǎng)度和厚度，在設(shè)計(jì)中為了保證結(jié)構(gòu)為一般剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻的長(zhǎng)度須按規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)置，一般不宜減短。同時(shí)，結(jié)構(gòu)的剛度與剪力墻長(zhǎng)度的三次方成正比，與厚度的一次方成正比，因此減小剪力墻截面厚度既可以有效減少材料用量，又不至于嚴(yán)重削弱結(jié)構(gòu)的剛度。一般來(lái)說(shuō)，剪力墻的設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足穩(wěn)定性的前提下，盡量減薄，也就是在滿足剛度等要求的前提下，達(dá)到減少剪力墻材料用量節(jié)約造價(jià)的目的。

3.2鋼筋混凝土剪力墻的延性的提升

提高鋼筋混凝土剪力墻的延性，主要包括以下措施：控制鋼筋混凝土剪力墻的高寬比，使其大于2，這樣的剪力墻其受力性能接近于懸臂梁；采用有邊緣構(gòu)件的剪力墻，邊緣構(gòu)件的受力鋼筋要有很好的錨固，在無(wú)邊緣構(gòu)件的剪力墻中應(yīng)設(shè)置暗梁，暗柱；提高底部剪力墻的抗剪可靠度，保證剪力墻的抗彎屈服出現(xiàn)在抗剪破壞之前。

4.結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，隨著剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，相關(guān)設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)相關(guān)理論的研究，在掌握剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以創(chuàng)新的意識(shí)和理念不斷采用新技術(shù)，改進(jìn)新方法，從而提高自身的設(shè)計(jì)水平，充分發(fā)揮剪力墻結(jié)構(gòu)在建筑設(shè)計(jì)中的作用。這樣才能真正的降低工程成本，保證建筑工程結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

參考文獻(xiàn)：

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[3]孫雪蘭.淺談高層剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].山西建筑，2013，8（12）：35.

作者簡(jiǎn)介：

吳智登（1986.4-），男（苗族），廣西柳州人，本科，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。