高層民用建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及其優(yōu)化策略解析

張明光

摘? ? 要：在建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中，剪力墻的實(shí)際受力情況十分復(fù)雜，需要根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)實(shí)際情況，按照規(guī)范要求，選擇正確的設(shè)計(jì)方法，建立結(jié)構(gòu)計(jì)算分析模型，同時(shí)對(duì)所有不利因素都要做到充分考慮，以保證剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與可行性。

關(guān)鍵詞：高層民用建筑;剪力墻;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);特點(diǎn);優(yōu)化策略

1? 高層民用建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.1? 剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

高層民用建筑結(jié)構(gòu)受力具有軸向變形、側(cè)移控制、結(jié)構(gòu)延性和水平荷載等幾個(gè)主要特征，在進(jìn)行高層民用建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該保證其具有以下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)自重大、抗側(cè)剛度大、側(cè)移小、吸收性能較好、能夠減弱地震帶來的沖擊等。一般來說，高層民用建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)的高度和厚度都較大，抗剪切力的機(jī)械強(qiáng)度在荷載下的能量消耗較小，所以在對(duì)二十層以上的高層民用建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)可以以全截面抗彎為依據(jù)來計(jì)算剪力墻截面彎曲破壞的最大極限承載力，可以知道洞口越小，剪力墻的整性能就越好。另外，這種設(shè)計(jì)下的剪力墻還能對(duì)整體的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理劃分，使室內(nèi)的框架結(jié)構(gòu)變得更加簡(jiǎn)潔美觀。但是要注意的是，剪力墻結(jié)構(gòu)是混凝土構(gòu)件，也就是說它本身是有一定的重量的，這就很容易在地震時(shí)引發(fā)嚴(yán)重的地震反應(yīng)，并且剪力墻的結(jié)構(gòu)還有一定的抗側(cè)剛度使地震時(shí)的反應(yīng)進(jìn)一步加大，進(jìn)而在一定程度上使得建造費(fèi)用增加，所以在實(shí)際的建造中應(yīng)先對(duì)剪切力的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有一個(gè)清楚的了解，把握好高層民用建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。

1.2? 剪力墻結(jié)構(gòu)的分類

如在設(shè)計(jì)當(dāng)中確定需要開洞，那相關(guān)的施工人員就要考慮所開洞的大小，并且根據(jù)洞開與否和其實(shí)際的大小我們可以將剪力墻分為以下幾種類型：實(shí)體墻、整體小開口剪力墻、多肢或多肢剪力墻、壁墻框架。其中實(shí)體墻就是開洞面積較小或者不開洞的墻，它的受力特點(diǎn)主要就是沒有突變也沒有反彎點(diǎn)，它是以彎曲型為主。整體小開口剪力墻就是指洞的面積大于百分之十五但是開洞面積仍然較小的墻，這種墻的受力特點(diǎn)就是彎矩圖發(fā)生突變，但是整個(gè)高度上沒有反彎點(diǎn)或者是只有個(gè)別的地方有反彎點(diǎn)。多肢或多肢剪力墻就是指洞面積較大的墻，這種墻的受力特點(diǎn)和前面說的整體小開口剪力墻的特點(diǎn)大致相似。壁式框架相比于前面兩種它的洞口面積還是比較大的，彎矩圖在樓層出發(fā)生突變，并且在很多樓層處都出現(xiàn)反彎點(diǎn)。

2? 高層民用建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則

（1）通常來說，在布置剪力墻的時(shí)候要盡量使剪力墻沿著高層民用建筑物的主軸線呈雙向布置，并且還要盡量讓雙向墻的抗側(cè)向剛度相互接近，這樣可以在一定程度上提高其抗震性能。

（2）在實(shí)際的設(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)該盡量將剪力墻的拉伸并對(duì)直，同時(shí)還要將剪力墻上的門洞和窗口相互對(duì)齊，這樣一來，在保證了整個(gè)設(shè)計(jì)整齊的同時(shí)也保證了其美觀性。除此之外，在計(jì)算時(shí)明確的墻肢和連梁使整個(gè)受力更加明確，方便后續(xù)的計(jì)算。

（3）在豎直方向，應(yīng)該保持剪力墻貫穿整個(gè)建筑物，一旦豎向出現(xiàn)變化時(shí)就要沿著高度改變整個(gè)剪力墻墻體的厚度和混凝土的等級(jí)，進(jìn)而逐漸減小剛度，防止出現(xiàn)突變使應(yīng)力集中。

（4）在進(jìn)行布置時(shí)還要避免洞口、墻邊之間相互形成墻肢，小墻肢寬度應(yīng)該大于墻厚的三倍，加強(qiáng)暗柱設(shè)計(jì)。

（5）針對(duì)一些長(zhǎng)度較大的剪力墻應(yīng)該設(shè)置相應(yīng)的洞口，并且將其分成多個(gè)墻段，兩個(gè)墻段之間采用弱連梁連接，盡量保持每一個(gè)墻段的高度和它本身的截面的高度的比值大于2。當(dāng)墻的長(zhǎng)度較小時(shí)其產(chǎn)生的裂縫也就較小，這種情況下的墻體配筋就能發(fā)揮其應(yīng)有的作用，所以一般來說截面高度應(yīng)該小于八米。

（6）高層民用建筑應(yīng)該盡量采用多種形式的剪力墻，避免全部采用短肢剪力墻，并且在設(shè)計(jì)短肢剪力墻時(shí)應(yīng)該設(shè)置相應(yīng)的翼緣。當(dāng)設(shè)計(jì)了較多的短肢剪力墻時(shí)應(yīng)該再設(shè)置一些一般剪力墻和短肢剪力墻一起形成剪力墻結(jié)構(gòu)體系以抵抗水平力。

（7）在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該盡量控制剪力墻平面外彎矩，一般可以通過設(shè)置適量的扶壁柱或者是增加墻肢的方式來降低彎矩對(duì)剪力墻造成的不利影響，針對(duì)一些截面較小的柱梁可以將其設(shè)計(jì)為鉸接減少外彎矩。

（8）在連梁上盡量不要直接設(shè)置主梁，這主要是因?yàn)橹髁旱奈膊繘]有達(dá)到要求，連梁沒有足夠的機(jī)械強(qiáng)度去抵抗平面外彎矩，另外這種設(shè)置對(duì)于連梁也是十分不利的，很容易導(dǎo)致連梁出現(xiàn)裂縫。

3? 高層民用建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

3.1? 剪力墻設(shè)計(jì)要為后續(xù)的建筑改造留有余地

在實(shí)際的設(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)該為后續(xù)的設(shè)計(jì)改造留有余地，保證剪力墻主體在能滿足其結(jié)構(gòu)剛性的同時(shí)也為門窗的設(shè)計(jì)的留有空間，切記不能隨意建造，要避免重復(fù)挖掘門洞。在設(shè)置剪力墻的空洞位置時(shí)要提前做好規(guī)劃，將墻體分為若干個(gè)部位，并且將門窗均勻分布在這些部位當(dāng)中。

3.2? 合理布置剪力墻平面

針對(duì)剪力墻平面的設(shè)置應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：首先，就是要保持剪力墻平面的對(duì)稱均勻，讓剪力墻面的重心和整個(gè)結(jié)構(gòu)剛度的中心盡最大限度重合，從而降低扭矩，對(duì)直并且拉通內(nèi)外的墻體。其次，在設(shè)計(jì)抗震剪力墻時(shí)要盡量設(shè)計(jì)兩側(cè)都有剪力墻的方案，排除一側(cè)有剪力墻的方案。再次，就是在設(shè)計(jì)剪力墻時(shí)要盡量使其沿著中心軸線的方向?qū)ΨQ。最后，就是在設(shè)計(jì)時(shí)要注意剪力墻的抗側(cè)力不能使其剛度太高，在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中可以借助公式T=（0.05-0.06）n，其中T是經(jīng)驗(yàn)公式，n是剪力墻結(jié)構(gòu)的層數(shù)，通過這個(gè)公式可以確定剪力墻剛度的大致范圍，并且保證剛度和剪力墻的層數(shù)相匹配，進(jìn)一步拓展其有效空間和承載力。

3.3? 正確處理剪力墻的墻肢

在設(shè)計(jì)剪力墻時(shí)應(yīng)該保證它有一定的延展性，尤其在針對(duì)一些較高的剪力墻的時(shí)候應(yīng)該盡可能用一些具有較好的延展性并且能夠用彎曲的剪力墻來替代原來的剪力墻，提高其機(jī)械強(qiáng)度。針對(duì)一些長(zhǎng)度較大的剪力墻可以通過開洞的方法將長(zhǎng)墻體分割成為單個(gè)的并且均勻的墻段，這種小墻段不容易出現(xiàn)裂縫，即使有裂縫也較小，進(jìn)而可以最大限度發(fā)揮剪力墻中鋼筋的支撐作用。由于大墻肢很容易在地震時(shí)發(fā)生發(fā)生破壞，所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于那些長(zhǎng)度大于八米的墻肢可以采用開洞的方法減少地震帶來的影響。

3.4? 合理處理邊緣構(gòu)件

剪力墻的邊緣構(gòu)件有兩種分別是構(gòu)造型邊緣構(gòu)件和約束型邊緣構(gòu)件，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該根據(jù)剪力墻的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇。針對(duì)那些下部位于加強(qiáng)位置上的和不具有抗震性能的高層民用建筑的剪力墻應(yīng)該選擇構(gòu)造型邊緣構(gòu)件，針對(duì)那些加強(qiáng)位置和臨部上層以及高層民用建筑和重荷載下墻體的軸壓比平均值等于或大于下表所規(guī)定的數(shù)值時(shí)，一般選用約束型邊緣構(gòu)件。

3.5? 合理設(shè)計(jì)過渡層

由于在地震時(shí)會(huì)給民用建筑底層框架剪力墻帶來較大的受力，并且在荷載的作用下，過過渡層的剪力墻墻體的承載力會(huì)在一定程度上降低，所以在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中要對(duì)其過渡層進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。如果對(duì)剪力墻的墻體進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)荷載較小的時(shí)候計(jì)算的結(jié)果可能會(huì)變高進(jìn)而降低了其抗震性能。所以，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要設(shè)置相應(yīng)的構(gòu)造柱間，使后續(xù)的強(qiáng)過渡層能夠提高其傳遞地震剪切力的性能，進(jìn)而提升過渡層的延展性能和消耗能量的能力。

4? 結(jié)束語

綜上所述，在設(shè)計(jì)時(shí)一定要根據(jù)建筑的實(shí)際情況選擇合適的剪力墻設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)合理的門洞、過渡層、剪力墻平面，并且選擇合適的邊緣構(gòu)建，嚴(yán)格遵循相應(yīng)的剪力墻設(shè)計(jì)原則，進(jìn)而保障建筑結(jié)構(gòu)能夠承受相應(yīng)的荷載和水平壓力，充分發(fā)揮其建筑結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性，為居民提供安全的住房環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王益群.高層民用建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探究[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2015（9）：88～89.

[2] 馬紅艷.高層民用建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].科學(xué)時(shí)代，2015（5）：65～66.