淺談高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路與應(yīng)用

金霄

（廣州市設(shè)計(jì)院 廣東廣州 510620）

剪力墻結(jié)構(gòu)是指縱橫向的主要承重結(jié)構(gòu)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。剪力墻結(jié)構(gòu)是用鋼筋混凝土墻板來(lái)代替框架結(jié)構(gòu)中的梁柱，能承擔(dān)各類荷載引起的內(nèi)力，并能有效控制結(jié)構(gòu)的水平力，這種用鋼筋混凝土墻板來(lái)承受豎向和水平力的結(jié)構(gòu)稱為剪力墻結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)作用高層建筑中的主要結(jié)構(gòu)形式，在現(xiàn)代高層建筑中被大量運(yùn)用。

1 剪力墻種類

剪力墻一般根據(jù)墻上洞口的大小、多少及排列方式，主要分為以下幾類：

1.1 整體墻

沒(méi)有門(mén)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(jiǎn)稱整體墻。當(dāng)門(mén)窗洞口的面積之和不超過(guò)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(zhǎng)邊尺寸時(shí)，即為整體墻。

1.2 小開(kāi)口整體墻

門(mén)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，截面法向應(yīng)力相當(dāng)于整體彎矩直線分布和墻肢局部彎矩應(yīng)力疊加的之后的結(jié)果，這種情況下的變形基本上屬于彎曲型，這種墻稱為小開(kāi)口整體墻。

1.3 聯(lián)肢剪力墻

如果剪力墻開(kāi)洞面積更大，剪力墻整體性受到破壞，連梁剛度比墻肢剛度小很多，連梁中部有反彎點(diǎn)，截面法向應(yīng)力不能用平截面假定計(jì)算，剪力墻變形由彎曲型向剪切型過(guò)渡，各墻肢單獨(dú)作用更明顯，可看成由多肢剪力墻通過(guò)剛度較大的連梁結(jié)合在一起的剪力墻，此時(shí)成為聯(lián)肢剪力墻。

1.4 框支剪力墻

當(dāng)?shù)讓有枰獫M足大空間使用時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)換柱與轉(zhuǎn)換梁，采用框架結(jié)構(gòu)支撐上部剪力墻，就形成框支剪力墻。在地震區(qū)，不容許采用純粹的框支剪力墻結(jié)構(gòu)。

1.5 壁式框架

當(dāng)剪力墻開(kāi)洞面積很大的時(shí)候，墻肢長(zhǎng)度較短，此時(shí)墻肢剛度與連梁剛度相近，變形變?yōu)榧羟行停芰π阅芨咏蚣芙Y(jié)構(gòu)，此時(shí)稱為壁式框架。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路分析

2.1 充分考慮墻的寬高以及受力情況

（1）基于剪力墻設(shè)計(jì)過(guò)程中，需對(duì)墻的寬度與高度加以明確。根據(jù)以往工程實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，非常容易出現(xiàn)墻面偏大但墻體厚度偏小的情況，此類建筑結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)受力方面存在一定的弊端。與此同時(shí)，在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需將建筑結(jié)構(gòu)中剪力墻和柱區(qū)分開(kāi)來(lái)，確保構(gòu)件厚度和肢長(zhǎng)符合相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；如構(gòu)件肢長(zhǎng)與厚度比值<3，那么構(gòu)件設(shè)計(jì)需要對(duì)按柱設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)；如比值>3，那么需對(duì)剪力墻進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（2）在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需對(duì)構(gòu)件承受的豎向力與水平力進(jìn)行整體考慮?；诩袅εc彎矩的影響下，剪力墻需承擔(dān)很大的作用力，所以剪力墻需要具備一定延續(xù)性，并且可以確保在水平力影響下的有關(guān)要求得到滿足。采用剪力墻期間，在1個(gè)平面當(dāng)中，剪力墻所承受的剛度與承載力更大。所以，與平面外的承載力與剛度比較便呈現(xiàn)偏小的特點(diǎn)。此外，需重視剪力墻與平面外的梁之間的連接，主要是因?yàn)榛谄矫嫱鈮χ珪?huì)有彎矩狀況發(fā)生。針對(duì)此類情況，需給予有效處理措施，從而使剪力墻平面的安全得到有效保證。

2.2 合理掌握剪力墻的尺寸及其外形

要想優(yōu)化剪力墻設(shè)計(jì)，便有必要合理掌握剪力墻的尺寸及其外形。對(duì)于不同的墻體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其設(shè)計(jì)也存在差異；所以剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在豎直或水平方向的剛度及其荷載分布均有所差異。為了使剪力墻荷載傳遞要求得到有效滿足，需保證其墻肢截面高度是墻厚的八倍。同時(shí)，對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，要想使自身的穩(wěn)定性得到有效保證，便需要優(yōu)化設(shè)計(jì)外形，通常選取T形或者L型最好，這兩種外形方案的選擇均能夠減輕墻體的重量，進(jìn)而使剪力墻結(jié)構(gòu)的外形體積得到有效減小，并使剪力墻側(cè)向剛度的提高得到有效促進(jìn)，此外還能夠在一定程度上使建筑工程項(xiàng)目的成本得到控制。此外，在剪力墻結(jié)構(gòu)使用過(guò)程當(dāng)中，需保證剪力墻2個(gè)方向中至少有一個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)相符，且另一個(gè)不宜偏短，誤差值控制在1m內(nèi)，這樣才能夠使配筋問(wèn)題得到有效避免。

2.3 優(yōu)化剪力墻設(shè)計(jì)的計(jì)算

在剪力墻設(shè)計(jì)過(guò)程中，需從整體角度分析水平力以及豎向力，進(jìn)而優(yōu)化計(jì)算剪力墻設(shè)計(jì)，以此使設(shè)計(jì)出來(lái)的剪力墻的承受荷載以及壓力符合設(shè)計(jì)的而要求。需明確的是，在剪力墻計(jì)算過(guò)程中，需明確剪力墻和寬度之間維持的距離，同時(shí)在樓層間還有必要對(duì)最小剪力系數(shù)加以考慮。從我國(guó)建筑房屋設(shè)計(jì)有關(guān)規(guī)定來(lái)看，明確基于施工過(guò)程中房屋需使自重降低，同時(shí)還需要確保房屋的抗震效果。然而，對(duì)于一般的剪力墻結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，由于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度比較小，所以在設(shè)計(jì)的情況下有必要對(duì)一定量的長(zhǎng)墻進(jìn)行布置，或采用電梯在樓梯間形成大剛度的內(nèi)筒。如此一來(lái)，結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度產(chǎn)生較大的變形情況便能夠得到有效避免，同時(shí)還能夠使兩道的抗震防設(shè)效果增強(qiáng)?？偠灾鑼?duì)剪力墻設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，進(jìn)而確保剪力墻設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)剪力墻連梁及剪力墻大墻肢

①對(duì)于剪力墻連梁來(lái)說(shuō)，也就是墻肢和墻肢之間互相連接的梁，當(dāng)墻肢受到壓力的情況下，便容易產(chǎn)生超筋或形變，進(jìn)而使建筑的質(zhì)量及壽命遭到很大的威脅。因此，便有必要優(yōu)化設(shè)計(jì)剪力墻連梁。具體優(yōu)化措施為：一方面，合理降低剪力墻連梁的高度，以建筑工程實(shí)際情況為依據(jù)，使剪力墻連梁的高度控制在合理范圍內(nèi)，從而使因尺寸問(wèn)題引發(fā)的連梁剪切形變狀況得到有效避免。另一方面，規(guī)范控制剪力墻結(jié)構(gòu)的塑性，并對(duì)剪力墻連梁彎矩的抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行合理調(diào)整。并且，需對(duì)連梁的受力合理控制。②在剪力墻設(shè)計(jì)過(guò)程中，需確保剪力墻具備很好的延展性，這樣才能夠使剪力墻設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。剪力墻結(jié)構(gòu)較為特殊，寬和高比較弱<2，那么其柱體一般呈細(xì)高狀。因此，要使剪力墻剪切破壞程度得到有效控制，需保證剪力墻呈現(xiàn)彎曲狀。而要想使剪力墻的高度得到有效保障，首要工作是進(jìn)行均勻分段，然后采取開(kāi)洞技術(shù)把剪力墻分成小墻段，以此使剪力墻在彎曲過(guò)程當(dāng)中可以控制裂縫的擴(kuò)大。剪力墻平面布置的時(shí)候，宜簡(jiǎn)單、規(guī)則，質(zhì)量、剛度和承載力分布宜均勻。除平面均勻外，剪力墻的豎向布置也應(yīng)該規(guī)則、均勻，側(cè)向剛度宜下大上小，逐漸均勻變化。厚度也應(yīng)沿高度均勻變化，厚度取值根據(jù)層高確定，應(yīng)盡量在結(jié)構(gòu)底部設(shè)置較厚剪力墻。剪力墻不宜過(guò)長(zhǎng)，墻段長(zhǎng)度不宜大于8m?？拐鹪O(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免單向布置剪力墻，宜使各主軸方向側(cè)移剛度相近，且剪力墻間距及長(zhǎng)度也應(yīng)盡量均勻。結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力構(gòu)件宜上、下連續(xù)貫通。表現(xiàn)在設(shè)計(jì)結(jié)果中，即結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特征（周期和振型）宜相近。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例分析

結(jié)合某工程進(jìn)行分析，該項(xiàng)目位于廣東陽(yáng)江，為高層住宅。結(jié)構(gòu)類型是純剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震等級(jí)為二級(jí)。其中地上主體住宅部分30層，地下室2層，外圈住宅底部設(shè)置商鋪，且與地下室外墻及塔樓首層呈錯(cuò)層布置（見(jiàn)圖1陰影部分）。依照《廣東省高規(guī)-DBJ15-92-2013高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》11.4.4規(guī)定錯(cuò)層處柱截面抗震等級(jí)應(yīng)提高一級(jí)。由于此處為地下室外墻，則采用將地下室外墻向上延伸至塔樓二層進(jìn)行錯(cuò)層部位加強(qiáng)。設(shè)計(jì)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)二層墻柱局部出現(xiàn)軸壓比超限的情況，結(jié)合模型分析，采用了三種對(duì)策：

（1）加長(zhǎng)加厚墻肢，增大混凝土受壓面，從而降低軸壓比，此方案后因建筑功能需要無(wú)法按結(jié)構(gòu)需求加長(zhǎng)加厚墻肢，此方案被否決；

（2）局部采用鋼板剪力墻，即在軸壓比超限樓層剪力墻內(nèi)設(shè)置鋼板并向上順延一層，利用鋼板剪力墻延性好的特點(diǎn)，降低軸壓比，提高墻柱的延性。此方案因整個(gè)項(xiàng)目?jī)H一處需設(shè)置鋼板剪力墻，綜合考慮后未采用；

（3）經(jīng)過(guò)對(duì)模型的位移分析，發(fā)現(xiàn)因錯(cuò)層加強(qiáng)處剪力墻較厚，相對(duì)應(yīng)帶來(lái)的剛度增大，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)為了平衡位移，該處受力集中，導(dǎo)致軸壓比超限，后將錯(cuò)層處400mm厚減為300mm，并在墻上開(kāi)數(shù)個(gè)墻洞，適當(dāng)削弱該處剛度。處理后上部墻肢軸壓比下降，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

高層建筑抗震設(shè)計(jì)是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程，設(shè)計(jì)因素較多，需要從各個(gè)方面進(jìn)行綜合性研判，才得到獲取最佳的設(shè)計(jì)效果。在針對(duì)高層建筑不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能強(qiáng)化過(guò)程中，要盡量使結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量均勻分布?jí)w分布要均勻，剪力墻或抗震墻布置要和結(jié)構(gòu)抗震要求相結(jié)合，剛度較大的電梯井要盡量居中布置，避免偏心，也應(yīng)避免因底部剛度過(guò)大帶來(lái)上部結(jié)構(gòu)超限。

圖1

[1]許曉冬.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)用分析[J].黑龍江科技信息，2014，23：251.

[2]王小引.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)用分析[J].門(mén)窗，2015，03：116+118.

[3]李源新.高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)與高層剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012（15）：44.

[4]熊源洲.建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的剪力墻設(shè)計(jì)分析[J].低碳世界，2017（15）.