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

趙雄飛

【摘要】剪力墻結(jié)構(gòu)能提供較大的抗側(cè)向剛度，剪力墻結(jié)構(gòu)體系抵抗地震的能力較強(qiáng)，同時(shí)剪力墻結(jié)構(gòu)能承受的較大的荷載值，故剪力墻結(jié)構(gòu)在我國的建筑行業(yè)非常常見，高層結(jié)構(gòu)中更是普遍采用剪力墻結(jié)構(gòu)。為保障結(jié)構(gòu)的安全性，剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尤為重要，本文對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一系列問題進(jìn)行了簡單探討，簡要敘述了剪力墻結(jié)構(gòu)的定義、分類、特點(diǎn)等，分析了剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則，闡述了剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。本文旨在透過探討使讀者對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)有所了解。

【關(guān)鍵詞】剪力墻；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；應(yīng)用

1、引言

近年來，國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們生活水平日益提高，城市聚集了大量的人口，房屋需求量也持續(xù)走高，在這樣一個(gè)情形下，建設(shè)單位大量興建高層建筑物。剪力墻結(jié)構(gòu)由于自身剛度大，抗震性能好，承載能力大，所以在高層建筑物中經(jīng)常采用。但是在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，剪力墻的布置位置，剪力墻肢選擇都存在較多問題，目前在設(shè)計(jì)中不可避免的存在一些難點(diǎn)，下面就剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行簡要探討，力求找到一些解決剪力墻設(shè)計(jì)中難點(diǎn)的方法。

2、剪力墻的概述

剪力墻結(jié)構(gòu)是建筑設(shè)計(jì)中非常常見的一種結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)形式能更好的提高房屋的穩(wěn)定性能，通過鋼筋和混凝土兩種材料的完美配合也增加了建筑屋的承載能力?？傮w來說，剪力墻結(jié)構(gòu)是一種合理的結(jié)構(gòu)形式。

2.1剪力墻結(jié)構(gòu)的定義

建筑中傳統(tǒng)的房屋采用的框架結(jié)構(gòu)比較多，框架結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件為梁、板、柱，墻體是后砌筑形成，多采用一些輕質(zhì)材料，如加氣混凝土砌塊、AAC砌塊等。由于框架結(jié)構(gòu)的豎向稱重構(gòu)件只有柱子，故其側(cè)向剛度較弱。與此同時(shí)，為加強(qiáng)側(cè)向剛度，剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。剪力墻結(jié)構(gòu)是采用鋼筋混凝土材料的剪力墻來承受施工和使用期間的豎向荷載及水平荷載，并且在剪力墻結(jié)構(gòu)中還包含了連梁，這樣剪力墻、連梁、普通梁組成一個(gè)承重系統(tǒng)。剪力墻和連梁不止能承擔(dān)水平構(gòu)件傳遞而來的豎向荷載，并且可以抵抗由于風(fēng)荷載和水平地震荷載等產(chǎn)生的水平向荷載，只因其側(cè)向剛度較大。因?yàn)楦邔拥乃郊袅χ抵饕堑卣鹱饔卯a(chǎn)生的，所以剪力墻又被稱為抗震墻。

2.2剪力墻結(jié)構(gòu)的分類

根據(jù)剪力墻是否開洞，以及洞口大小尺寸不同的原則，將剪力墻分為實(shí)體墻、整體上小開口剪力墻、多肢剪力墻、壁式框架剪力墻四中類型。

2.2.1實(shí)體墻

沒有門窗洞口或只有少量很小的洞口時(shí)，可以忽略洞口的存在，這種剪力墻即稱為整體剪力墻，簡稱整體墻。

當(dāng)門窗洞口的面積之和不超過剪力墻側(cè)面積的15%，且洞口間凈距及孔洞至墻邊的凈距大于洞口長邊尺寸時(shí)，即為整體墻。

2.2.2整體上小開口剪力墻

門窗洞口尺寸比整體墻要大一些，此時(shí)墻肢中已出現(xiàn)局部彎矩，這種墻稱為小開口整體墻。

2.2.3多肢剪力墻

剪力墻上開有一列或多列洞口，且洞口尺寸相對(duì)較大，此時(shí)剪力墻的受力相當(dāng)于通過洞口之間的連梁連在一起的一系列墻肢，故稱多肢剪力墻。

2.2.4壁式框架剪力墻

在連肢墻中，如果洞口開的再大一些，使得墻肢剛度較弱、連梁剛度相對(duì)較強(qiáng)時(shí)，剪力墻的受力特性已接近框架。由于剪力墻的厚度較框架結(jié)構(gòu)梁柱的寬度要小一些，故稱壁式框架剪力墻。

2.3剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

剪力墻在工程當(dāng)中常被人們稱為抗震墻、結(jié)構(gòu)墻等。從中我們可以看出，剪力墻結(jié)構(gòu)在實(shí)際的使用過程當(dāng)中可以充當(dāng)多種角色。因?yàn)榧袅Φ膫?cè)向剛度比較大，地震發(fā)生時(shí)，豎向構(gòu)件剪力墻可以抵抗水平地震荷載。風(fēng)荷載作用在建筑物之上，隨著建筑物高度的增加，風(fēng)荷載使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的側(cè)向位移增加的會(huì)更快。剪力墻此時(shí)，是豎向構(gòu)件，與風(fēng)荷載相垂直，可以抵抗來自風(fēng)荷載的作用。剪力墻結(jié)構(gòu)體系中承重構(gòu)件較多，剪力墻結(jié)構(gòu)中所有構(gòu)件可以作為建筑物的骨架抵抗外荷載。

3、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

3.1剪力墻數(shù)目

在剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，剪力墻主要用于承受風(fēng)荷載和水平地震荷載等其他水平向荷載。在這種情況下剪力墻不是配置的越多越好，因?yàn)檫^多的剪力墻會(huì)加大結(jié)構(gòu)的自重，使得設(shè)計(jì)不夠經(jīng)濟(jì)。因?yàn)樵谶M(jìn)行時(shí)，應(yīng)充分考慮抵抗荷載和地基承載能力的大小，綜合得出剪力墻的數(shù)目，不要盲目的設(shè)置過多，力求同時(shí)提高建筑物的質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)效益。

3.2剪力墻平面布置

剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，承重構(gòu)件太多，假設(shè)剪力墻構(gòu)件布置不均勻，則整個(gè)體系的剛度中心、質(zhì)量中心和平面中心不一致，極有可能在受力時(shí)，外荷載使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)，降低了結(jié)構(gòu)的承載能力。故剪力墻最好沿著主軸線的走向，雙向布置，尤其在抗震的結(jié)構(gòu)中，不要出現(xiàn)單向剪力墻的設(shè)計(jì)。剪力墻結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件布置應(yīng)均勻布置，所有構(gòu)件盡量對(duì)稱布置，平面采用較為規(guī)整的形狀，減少扭轉(zhuǎn)出現(xiàn)的可能性。

3.3剪力墻及連梁配筋

在高層的建筑物中，連梁是剪力墻結(jié)構(gòu)中非常重要水平向承重構(gòu)件，故連梁的設(shè)計(jì)是很重要的。連梁配筋合理一方面來說可有效提高自身的剛度和塑性，另外一方面來說可增加整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。在對(duì)連梁的設(shè)計(jì)中，應(yīng)對(duì)連梁進(jìn)行正截面和斜截面的承載力的計(jì)算，綜合考慮配置鋼筋，應(yīng)確保連梁的受彎破壞優(yōu)先與受剪破壞，從而保障結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)中應(yīng)嚴(yán)格遵守國家規(guī)范，不得隨意更改。

剪力墻身的配筋也是不可忽略的?？刂萍袅ι淼呐浣钣欣诳刂平Y(jié)構(gòu)的安全性和工程的經(jīng)濟(jì)利益，這是處于宏觀查看整個(gè)剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻身的布置是最多的，其用筋量也是最大的。剪力墻身中有豎向鋼筋和水平向鋼筋，通常情況下，豎向鋼筋位于剪力墻身的內(nèi)側(cè)，其外側(cè)采用水平鋼筋把所有豎向鋼筋進(jìn)行連接。不論是豎向鋼筋還是水平向鋼筋，都應(yīng)滿足最小配筋率的要求。兩向鋼筋在進(jìn)行綁扎時(shí)，綁絲應(yīng)采用八字形，不要出現(xiàn)順一字形，避免出現(xiàn)建立墻身的整體側(cè)移。

3.4剪力墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在進(jìn)行剪力墻設(shè)計(jì)時(shí)，要注意對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，對(duì)于剪力墻上的洞口或者門窗，要做到上下對(duì)齊，布置成列，這樣才符合我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《高層高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)定。在設(shè)計(jì)中嚴(yán)格禁止使用疊合的錯(cuò)墻洞，避免出現(xiàn)變形的現(xiàn)象，當(dāng)剪力墻較長時(shí)，要將剪力墻均勻的分成幾個(gè)墻面，并且要合理的開設(shè)洞口，墻體之間要采用連梁進(jìn)行連接，并且要保證每個(gè)獨(dú)立的墻肢的總高與截面高度之比大于2，以此防止剪力墻因剪力而破壞。在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員還需要注意，不能在洞口之間形成小墻肢，假如不可避免的出現(xiàn)小墻肢，一定要根據(jù)實(shí)際情況，適當(dāng)加密墻肢，用以保障剪力墻的質(zhì)量達(dá)到要求。

4、剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

在建筑設(shè)計(jì)過程中，進(jìn)行剪力墻的設(shè)計(jì)是非常復(fù)雜的過程，設(shè)計(jì)人員不應(yīng)為了快速完成設(shè)計(jì)任務(wù)或其他目的就草草了事，這樣極有可能在后續(xù)的施工過程里發(fā)現(xiàn)大量的錯(cuò)誤，出若干個(gè)設(shè)計(jì)變更。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)之處應(yīng)對(duì)施工現(xiàn)場實(shí)地進(jìn)行考察，以便設(shè)計(jì)出來的成果便于施工，便于機(jī)械劃操作。在剪力墻設(shè)計(jì)時(shí)還需要遵循一些特定的原則，才能保障剪力墻設(shè)計(jì)和應(yīng)用向著正確化，規(guī)范化，合理化發(fā)展。本節(jié)將對(duì)剪力墻設(shè)計(jì)中的原則進(jìn)行探討。

4.1建筑物之間進(jìn)行調(diào)整減小剪力系數(shù)的原則

就目前建筑行業(yè)趨勢來看，剪力墻結(jié)構(gòu)一般應(yīng)用于高層建筑物中，為保障地基的承載力滿足要求，必須在滿足結(jié)構(gòu)承受所有外荷載的前提下，減小結(jié)構(gòu)的自重。減小自重需多采用短肢剪力墻，并且需要短肢剪力墻承受的位于第一振型的底部抗傾覆力矩小于剪力墻結(jié)構(gòu)體系所能承受的最大底部抗傾覆力矩的40%。設(shè)計(jì)人員經(jīng)常對(duì)剪力墻進(jìn)行大開間處理，用以提高剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度。這樣就可以保障建筑物樓層之間的最小剪力系數(shù)大于規(guī)范規(guī)定中的數(shù)值了，從而達(dá)到降低建筑物成本的目的，提高建造者經(jīng)濟(jì)效益。

4.2調(diào)整建筑物樓層與樓層之間最大位移和樓層高度之間的比例

高層建筑物由于樓層太多，樓層之間不可避免的會(huì)出現(xiàn)一定差異。常規(guī)高層建筑在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員會(huì)把重心放到樓層與樓層之間的剪切變形和扭轉(zhuǎn)變形之上。而在處理建筑物剪切變形這一塊的過程中，設(shè)計(jì)人員是以控制塑性構(gòu)件的數(shù)量來控制剪切變形，但是塑性構(gòu)件的數(shù)量是沒有一個(gè)明確的規(guī)定，故假設(shè)此數(shù)量沒有控制在理想范圍內(nèi)，就會(huì)引起剪力墻的剪重比過大，從而形成設(shè)計(jì)出來的剪力墻結(jié)構(gòu)不合理，反而使樓層之間的扭轉(zhuǎn)變形也增大。因此，在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)從根本上減少樓層之間的扭轉(zhuǎn)變形量，不能只依賴于調(diào)整塑性豎向構(gòu)件的數(shù)量，調(diào)整塑像構(gòu)件的剛度來減小樓層之間的位移。

4.3調(diào)整剪力墻連梁超限的原則

針對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)中的連梁來說，連梁的跨高比必須大于2.5，用以防止出現(xiàn)剪力和彎矩超出規(guī)定限制的情況。對(duì)于跨高比大于或等于5的連梁，必須按照《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》中的框架梁的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不能采用對(duì)連梁的剛度冒然折減的方法。對(duì)于跨高比在5～6之間的連梁，此時(shí)不必按照《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》中的框架梁的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，則采用對(duì)其剛度進(jìn)行折減的方法進(jìn)行調(diào)整，與跨高比大于2.5時(shí)，用以防止出現(xiàn)剪力和彎矩超出規(guī)定限制的情況一致。

總結(jié)：

剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能好，用鋼量相對(duì)較小，與其他結(jié)構(gòu)體系能有效相結(jié)合，故在現(xiàn)在的建設(shè)中經(jīng)常采用。采用合理的設(shè)計(jì)體系能提高剪力墻結(jié)構(gòu)的安全性，提高工程質(zhì)量，保障了購房者的合法權(quán)益。為此設(shè)計(jì)人員要不斷對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，逐步完善設(shè)計(jì)方法，盡量采用新興科學(xué)技術(shù)彌補(bǔ)設(shè)計(jì)的不足點(diǎn)，這樣才能更好的帶動(dòng)建筑行業(yè)的發(fā)展。