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

王東

摘要：在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，剪力墻設(shè)計(jì)是其中非常重要的一項(xiàng)內(nèi)容。隨著高層建筑的不斷增加，剪力墻的在建筑中的應(yīng)用越來越廣泛。文章通過論述剪力墻結(jié)構(gòu)分類及其特點(diǎn)，有針對(duì)性的對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施進(jìn)行闡述與分析，以供相關(guān)人士參考。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；剪力墻；優(yōu)化設(shè)計(jì)；應(yīng)用分析

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，推動(dòng)著我國建筑業(yè)得不斷向前發(fā)展?，F(xiàn)代高層建筑越來越向多功能的綜合用途發(fā)展，人們對(duì)高層建筑平面空間的設(shè)計(jì)要求越來越高，普通的框架結(jié)構(gòu)顯然已不能滿足人們對(duì)高層建筑室內(nèi)空間的使用和整體美觀的愿望。剪力墻從縱向及橫向來承擔(dān)荷載，其剛度有力地抗擊著水平荷載，已經(jīng)被高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)廣泛使用。因此，不斷地追求新的結(jié)構(gòu)模式是未來建筑業(yè)發(fā)展的目標(biāo)。

一、剪力墻結(jié)構(gòu)的種類及分類依據(jù)

目前，剪力墻結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，種類主要有四類：①有壁式框架的剪力墻。這種剪力墻的特點(diǎn)是洞口的尺寸比較大，墻肢線剛度與連梁線剛度非常接近，受力墻在受力后呈現(xiàn)剪切型，這種受力特點(diǎn)和框架結(jié)構(gòu)非常相似。在高層建筑中采用這種剪力墻容易出現(xiàn)反彎點(diǎn)，在樓層處反彎圖也有可能發(fā)生突變。②截面剪力墻或者實(shí)體墻。這里所說的截面剪力墻是指墻體不開洞或者所開洞的面積不超過15%。這種類型的剪力墻在受力后變形主要呈現(xiàn)為曲型，整體上看這種剪力墻像是一個(gè)懸壁墻，彎矩圖上不存在彎點(diǎn)，在樓層處的反彎圖中也不可能發(fā)生突變。③雙肢或者多肢剪力墻。這一類型的剪力墻的特點(diǎn)是開口比較大，而且洞口一般成列分布。④整體小開口剪力墻。這一類型的剪力墻開口普遍較小，但是開洞的面積比較大，一般不低于15%。整個(gè)剪力墻在受力后主要的變形方式是彎曲型，在整個(gè)墻肢上幾乎沒有反彎點(diǎn)，但在彎矩圖的中心位置容易發(fā)生突變。

二、建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求

1、平面結(jié)構(gòu)布置

平面結(jié)構(gòu)要具有良好的整體性，同時(shí)要做到簡(jiǎn)單、均勻?qū)ΨQ、規(guī)則，對(duì)于長(zhǎng)度、寬度比較大，或者不規(guī)則的平面結(jié)構(gòu)，要設(shè)置合理的溫度伸縮縫，從而有效地提高結(jié)構(gòu)的整體性，為增強(qiáng)抗扭效果，要盡量沿著周邊布置剪力墻，對(duì)于質(zhì)量中心和結(jié)構(gòu)剛度中心偏差比較大的結(jié)構(gòu)，在地震作用下，受扭轉(zhuǎn)力的影響會(huì)產(chǎn)生巨大的破壞，因此，在設(shè)計(jì)過程中要注意盡量將質(zhì)量中心和結(jié)構(gòu)剛度中心重合在一起。

2、垂直結(jié)構(gòu)布置

由于垂直受力構(gòu)件在轉(zhuǎn)換過程中，會(huì)對(duì)建筑的垂直剛度造成影響，如果發(fā)生地震，這部分就會(huì)成為抗震的薄弱環(huán)節(jié)，因此，要對(duì)剪力墻轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)行嚴(yán)格的控制。轉(zhuǎn)換層的轉(zhuǎn)換構(gòu)建在傳力過程中要盡量做到簡(jiǎn)單、直接，避免出現(xiàn)水平方向的多級(jí)轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換次梁的現(xiàn)象。由于剪力墻轉(zhuǎn)換梁上一層墻體和中間支柱承載的垂直荷載比較大，因此，要盡量避免在這些部位設(shè)置門洞，同時(shí)要盡量加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層下部剪力墻的剛度。轉(zhuǎn)換層會(huì)對(duì)上下傳力構(gòu)件的直接傳力造成影響，因此，要將轉(zhuǎn)換層上部的垂直抗側(cè)力構(gòu)件直接設(shè)置在轉(zhuǎn)換層主結(jié)構(gòu)上，防止出現(xiàn)多級(jí)轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象。

三、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用

對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一個(gè)非常復(fù)雜、專業(yè)的過程，其中具有著很多個(gè)設(shè)計(jì)步驟。對(duì)此，就需要我們?cè)趯?duì)剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)之前就能夠?qū)袅Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的步驟進(jìn)行充分的了解，并對(duì)墻肢所具有的厚度與長(zhǎng)度進(jìn)行確定。之后，則需要開展連梁以及邊緣構(gòu)件的設(shè)計(jì)，最終對(duì)地震荷載進(jìn)行計(jì)算。

1、墻肢長(zhǎng)度與厚度的設(shè)計(jì)

1.1 剪力墻厚度

根據(jù)抗震規(guī)范規(guī)定要求，當(dāng)高層建筑抗震等級(jí)為一、二級(jí)抗震設(shè)計(jì)人員需要對(duì)剪力墻底部進(jìn)行加強(qiáng)，其墻厚應(yīng)大于200mm，而且大于高層建筑層高1/16，對(duì)于非加強(qiáng)區(qū)域墻厚不得低于160mm，在進(jìn)行剪力墻設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員如遇特殊情況，應(yīng)對(duì)高層建筑展開概念設(shè)計(jì)分析，積極控制與調(diào)整墻肢軸壓的數(shù)值，確保高層建筑的連續(xù)性，確保剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。

1.2 墻肢長(zhǎng)度

在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員對(duì)高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度有著明確控制，墻肢長(zhǎng)度一般低于8m，因此在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)人員應(yīng)保證剪力墻體系延性，為了消除剪力墻結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞，可把剪力墻的高寬比大于3，增強(qiáng)剪力墻的延性，在地震作用下使其發(fā)生彎曲破壞，在以往設(shè)計(jì)過程中筆者發(fā)現(xiàn)墻體過長(zhǎng)，為了確保墻體的高寬比值大于3，可通過開設(shè)洞口等措施將長(zhǎng)墻分割成具有均勻性肢墻，對(duì)于洞口

2、連梁的設(shè)計(jì)

在剪力墻結(jié)構(gòu)中，在水平荷載的作用下，墻肢會(huì)發(fā)生變形，從而引起連梁產(chǎn)生內(nèi)力，這時(shí)連梁端部的內(nèi)力會(huì)減小連接墻肢產(chǎn)生的變形內(nèi)力，從而約束墻肢變形，連梁對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)十分重要。連梁超筋是剪力墻連梁常見的問題，其本質(zhì)是剪力剪壓比無法滿足相關(guān)要求，當(dāng)墻段比較長(zhǎng)時(shí)，連梁容易超筋的部位大多集中在中間段；當(dāng)墻段中墻肢截面高度相差比較大，并且分布不均勻時(shí)，墻肢處連梁容易出現(xiàn)超筋現(xiàn)象。出現(xiàn)連梁超筋現(xiàn)象后，可以采用以下幾種方法進(jìn)行處理：①可以通過調(diào)整剪力墻中連梁彎矩剪力塑形進(jìn)行處理；②根據(jù)實(shí)際情況，適當(dāng)?shù)臏p少連梁截面高度；③當(dāng)連梁破壞對(duì)垂直方向的荷載影響不大時(shí)，可以從地震作用的角度進(jìn)行思考，放棄使用該連梁，計(jì)算獨(dú)立墻肢在多遇地震情況下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，墻肢配筋則應(yīng)按照兩次計(jì)算得出的大內(nèi)力進(jìn)行。

3、邊緣構(gòu)件的設(shè)計(jì)

邊緣構(gòu)件也是我們?cè)诩袅υO(shè)計(jì)過程中非常重要的一項(xiàng)工作。對(duì)于邊緣構(gòu)件而言，有約束邊緣構(gòu)件的矩形截面剪力墻和無約束邊緣構(gòu)件剪力墻相比有著明顯的優(yōu)勢(shì)，具有著更高的基線承載力，同無約束情況相比其承載力能夠提升約40%左右。而在類型方面，邊緣構(gòu)件主要有構(gòu)造邊緣構(gòu)件以及約束邊緣構(gòu)件這兩種，在實(shí)際應(yīng)用的過程中都需要我們?cè)诼?lián)系建筑實(shí)際情況的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行設(shè)置。

4、地震荷載及內(nèi)力設(shè)計(jì)

如果建筑主體結(jié)構(gòu)布置情況較為簡(jiǎn)單，那么我們?cè)趯?duì)剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)則可以通過空間協(xié)同平面框架的應(yīng)用對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。而如果建筑主體結(jié)構(gòu)布置情況較為復(fù)雜，我們則可以通過空間分析程序?qū)ζ湮灰?、?nèi)力等因素進(jìn)行分析。同時(shí)，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，我們也需要以簡(jiǎn)化計(jì)算的原則開展設(shè)計(jì)工作，且在對(duì)地盤長(zhǎng)寬進(jìn)行計(jì)算時(shí)需要能夠在結(jié)合建筑主體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬的基礎(chǔ)上對(duì)其開展分析工作，并盡可能地以成比例的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

四、剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

1、加強(qiáng)大墻肢的結(jié)構(gòu)處理

在設(shè)計(jì)過程中筆者發(fā)現(xiàn)剪力墻結(jié)構(gòu)由于本身具有延伸性要求，對(duì)此在實(shí)際施工過程中也應(yīng)具備其延展性能，設(shè)計(jì)人員應(yīng)重視剪力墻結(jié)構(gòu)整體性工作，剪力墻在實(shí)際破壞中以彎曲破壞為主，極易造成脆性破壞，這對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震極為不利。針對(duì)這種情況設(shè)計(jì)人員對(duì)于墻肢較長(zhǎng)的剪力墻設(shè)計(jì)不僅滿足承載力要求還需進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，將其分割成為均勻單元，對(duì)于較短墻肢在受彎條件下出現(xiàn)裂縫較小，從而能夠有效發(fā)揮墻體配筋作用，為消除這些不利現(xiàn)象出現(xiàn)，對(duì)于墻肢長(zhǎng)度超過8m可選擇下列處理措施：第一，開設(shè)施工洞，在施工過程中需對(duì)墻體孔洞預(yù)留，同時(shí)對(duì)預(yù)留孔洞需布置填充墻，這樣能夠?qū)㈤L(zhǎng)墻肢隔成短墻肢。第二，開設(shè)計(jì)算洞，設(shè)計(jì)人員主要在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)假設(shè)其有洞，但在實(shí)際施工過程中仍為混凝土墻，這種計(jì)算洞的開設(shè)，能夠發(fā)揮墻肢配筋性能。

2、加強(qiáng)剪力墻結(jié)構(gòu)均衡設(shè)計(jì)

在高層剪力墻建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)采取恰當(dāng)優(yōu)化措施實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力均衡，不僅能夠提高剪力墻結(jié)構(gòu)安全度，還能夠控制工程的投資造價(jià)，設(shè)計(jì)人員根據(jù)剪力墻的平面布置情況能夠真正實(shí)現(xiàn)剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)條件，制定正確的剪力墻設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)人員加強(qiáng)剪力墻施工質(zhì)量的督查，制定科學(xué)的施工管理機(jī)制，強(qiáng)化施工管理人員的安全意識(shí)，要求其按照操作流程與設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行施工作業(yè)。

結(jié)束語

剪力墻結(jié)構(gòu)在建筑工程中有十分廣泛的應(yīng)用，在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)建筑工程的實(shí)際情況，確保制定的剪力墻結(jié)構(gòu)施工方案既符合施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，又能滿足經(jīng)濟(jì)要求，從而為建筑工程的施工質(zhì)量提供保障，有效地促進(jìn)和諧和會(huì)的構(gòu)建。

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