建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中剪力墻結(jié)構(gòu)的概念理解及優(yōu)化措施

趙鑫

（太原市建筑設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030002）

剪力墻屬于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中比較關(guān)鍵的組成部分。采用剪力墻結(jié)構(gòu)，既可以滿足建戶型空間構(gòu)的各項(xiàng)需求，又可以優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能，提高建筑施工效率和質(zhì)量。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)實(shí)踐過程中，需結(jié)合我國建筑行業(yè)特點(diǎn)，多總結(jié)，對設(shè)計(jì)中存在的具體問題給予解決，加深對剪力墻結(jié)構(gòu)形式的理解，合理優(yōu)化剪力墻結(jié)構(gòu)布置，以此充分發(fā)揮剪力墻的優(yōu)勢，增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體效果。

1 剪力墻結(jié)構(gòu)概述

在建筑結(jié)構(gòu)以及附屬物中，剪力墻結(jié)構(gòu)是代替框架結(jié)構(gòu)梁祝的鋼筋混凝土墻板，水平力和豎向力則由剪力墻承受。其由墻身、墻柱、墻梁共同組成（見圖1）。其設(shè)計(jì)的初衷是提高建筑結(jié)構(gòu)的荷載能力和穩(wěn)定性，避免在建筑物施工過程中遭到外力破壞，延長其使用壽命。剪力墻結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)形式相比，具有抗震性能優(yōu)越、抗側(cè)剛度高、用鋼量較小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高層住宅、公寓、酒店等建筑隔墻位置固定且空間要求較小的建筑項(xiàng)目中。

圖1 剪力墻結(jié)構(gòu)組成

2 對剪力墻結(jié)構(gòu)部分概念的深化理解

2.1 剪力墻結(jié)構(gòu)體系的深化理解

高層剪力墻結(jié)構(gòu)體系可以類比成一根豎向截面箱型的懸臂梁。即高層剪力墻結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為是從其自身地基上升起的豎向懸臂構(gòu)件，承受著水平荷載（風(fēng)、地震）和豎向荷載（恒活荷載），對于高層建筑結(jié)構(gòu)，由于其受力的本質(zhì)是懸挑，高層建筑結(jié)構(gòu)受水平荷載（風(fēng)、地震）的影響要大于豎向荷載的影響（底部彎矩與高度是正比平方的關(guān)系），此處是區(qū)別于多層建筑結(jié)構(gòu)的地方。鑒于此，高層剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件肯定區(qū)別于多層框架結(jié)構(gòu)，剪力墻平面內(nèi)的剛度很大，是高層剪力墻結(jié)構(gòu)中最重要的組成構(gòu)件，我們利用建筑專業(yè)給定的墻體，布置剪力墻，因此從受力上講，剪力墻實(shí)質(zhì)就是一個(gè)平面內(nèi)受力的懸挑梁。

2.2 連梁的深化理解

平面內(nèi)，兩端與剪力墻相連的梁，被稱為連梁。一般在風(fēng)荷載和地震荷載的作用下，連梁的內(nèi)力往往很大。連梁是保證建筑安全的第一道防線，通過讓梁形成延性破壞的方式達(dá)到耗能的效果。連梁跨高比越小，墻體聯(lián)系越強(qiáng)，共同受力越好；可是連梁分配的彎矩和剪力越大，容易發(fā)生脆性破壞。跨高比大當(dāng)然延性好，但降低了整體共同抵抗作用。因此在設(shè)計(jì)中，如果剛度有富裕，連梁設(shè)計(jì)得弱一些，協(xié)調(diào)變形能力和延性增強(qiáng)，也能避免超筋。一般來說，弱連梁可以保證塑性鉸首先出現(xiàn)在連梁的兩端，通過塑性鉸繼續(xù)傳遞彎矩和剪力，增加結(jié)構(gòu)延性，消耗地震能量，延緩墻肢破壞，使剪力墻保持足夠的剛度和強(qiáng)度，對結(jié)構(gòu)抗震是有利的。同時(shí)也要注意，梁截面也不能設(shè)計(jì)太小，要保證能夠承受地震作用所產(chǎn)生的彎矩和減力。

2.3 短肢剪力墻的深化理解

圖2、3、4 為不開洞剪力墻、雙肢剪力墻與短肢剪力墻三種情況下結(jié)構(gòu)的彎矩簡圖。由圖2、3、4 可知，不開洞剪力墻彎矩為平滑曲線沒有反彎點(diǎn)，整體變形為彎曲型；雙肢剪力墻彎矩為鋸齒狀，但也未出現(xiàn)反彎點(diǎn)，此時(shí)連梁起著連接墻肢，保證墻體整體穩(wěn)定性的作用；短肢剪力墻的齒狀狀彎矩更嚴(yán)重，會出現(xiàn)反彎點(diǎn)，此時(shí)連梁將不再作為連梁，應(yīng)看作框架梁，很難起到保證墻體穩(wěn)定的作用，結(jié)構(gòu)的變形特性類似于框架，表現(xiàn)在計(jì)算結(jié)果上就是層間位移角很難滿足規(guī)范要求。因此，有以上分析可知，剪力墻的受力特點(diǎn)與洞口的大小有關(guān)，與連梁的剛度有關(guān)。連梁與墻肢的線剛度比值決定著反彎點(diǎn)是否出現(xiàn)，當(dāng)墻體開洞過大且墻肢高厚比很小時(shí)（即短肢剪力墻存在過多時(shí)），墻肢剛度被過分削弱，導(dǎo)致出現(xiàn)反彎點(diǎn)。因此《高規(guī)》條文說明指出：剪力墻和其開洞所形成的連梁，兩者組成的結(jié)構(gòu)則是剪力墻結(jié)構(gòu)，彎曲型變形是其變形的特點(diǎn)之一。目前，大跨高框架梁聯(lián)系的剪力墻已經(jīng)成為都不分結(jié)構(gòu)體系的首選形式。這樣的結(jié)構(gòu)雖然剪力墻較多，但是，雖然這種結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)想，其受力和變形特征選對類似，但是仍然很難避免多層數(shù)抗震過程中遇到的問題。

圖2 剪力墻不開洞彎矩

圖3 雙肢剪力彎矩

圖4 短肢剪力墻彎矩

3 在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的優(yōu)化措施

3.1 剪力墻墻肢對齊優(yōu)化布置

高層剪力墻結(jié)構(gòu)中。在抗側(cè)移構(gòu)件中，剪力墻構(gòu)件十分重要，同時(shí)需要在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中充分體現(xiàn)墻肢之間的聯(lián)動(dòng)效用。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該均勻布設(shè)統(tǒng)一方向墻肢，讓平面上能形成聯(lián)肢剪力墻共同協(xié)作的效果，控制剪力墻錯(cuò)位布置的出現(xiàn)。

如圖5、圖6 所示的某32 層高層剪力墻住宅結(jié)構(gòu)，平面Y 向墻肢存在錯(cuò)位布置的情況（圖5 框起部分的墻肢）。優(yōu)化調(diào)整措施為增加邊戶型Y 向剪力墻墻肢，同時(shí)減少中戶型Y 向不連續(xù)墻肢且增加連續(xù)墻肢，形成6 道聯(lián)肢剪力墻，從而同樣剪力墻面積情況下，優(yōu)化對齊布置的計(jì)算模型Y 剛度可增加20%左右。

圖5 優(yōu)化前剪力墻

圖5 優(yōu)化后剪力墻（增加Y 向連續(xù)墻）

3.2 剪力墻墻肢均勻優(yōu)化布置

滿足結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度以及豎向荷載需求是高層建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，另外也需要然后結(jié)構(gòu)具有抗扭轉(zhuǎn)剛度。在設(shè)計(jì)工作中，可以通過加強(qiáng)外圈梁以及周邊剪力墻的方法，對結(jié)構(gòu)平面幾何形心進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)也能調(diào)整質(zhì)量中心、剛度中心的作用，實(shí)現(xiàn)“三心”重合。

如圖7、圖8 所示的某26 層高層剪力墻住宅結(jié)構(gòu)，平面存在周邊墻肢少中部墻肢多，不均勻布置的情況（圖7 中框起部分的墻肢），導(dǎo)致位移雖滿足計(jì)算要求，X 向平動(dòng)、扭轉(zhuǎn)、Y 向平動(dòng)分別是第一、第二、第三振型。優(yōu)化調(diào)整措施為增加邊戶型Y 向墻肢4道，同時(shí)減少中戶型Y 向墻肢2 道，以此增加周邊墻剛度，優(yōu)化均勻布置的計(jì)算模型第二振型變?yōu)閅 向平動(dòng)，滿足規(guī)范要求。

圖7 優(yōu)化前剪力墻

圖8 優(yōu)化后剪力墻（增加周邊剪力墻）

3.3 剪力墻優(yōu)先采用帶翼緣墻

L 形、T 形的剪力墻本身具有十分良好的穩(wěn)定性，這是由于其墻肢端部的翼緣墻起到扶壁作用，另外在框架梁搭接在剪力墻端部時(shí)對于鋼筋錨固長度也有一定的要求，這種剪力墻也能有效滿足。那么，如果在結(jié)構(gòu)布置過程中選用這兩種剪力墻，能夠有效控制器翼墻長度，進(jìn)而控制配筋數(shù)量。但剛度也較小。因此在設(shè)計(jì)中宜多比較試算，確定合理的翼緣墻長度。

4 結(jié)束語

綜上所述，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，剪力墻結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用，為了更好地發(fā)揮剪力墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，就需要結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來合理選擇剪力墻結(jié)構(gòu)體系，以后在優(yōu)化剪力墻平面布置、合理連梁配置、避免使用短肢剪力墻等方面合理設(shè)計(jì)，這樣既能夠優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)剪力墻設(shè)計(jì)的效率，還能減少工程成本，提高戶型使用效率。