高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)墻體布置方法研究

（北京三磊建筑設計有限公司，北京 100029）

0 引言

我國是人口大國，長年以來人口總量一直呈現(xiàn)出上漲趨勢，這導致我國在近些年出現(xiàn)了土地資源不足的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象說明地面空間已經(jīng)不滿足國民居住需求，必須轉(zhuǎn)換思維開發(fā)新的居住空間，這就催生出高層建筑。高層建筑的出現(xiàn)確實滿足了人們的居住需求，但同樣也帶來了一些問題，其中高層建筑易受地震影響就是較具代表性的問題。面對該問題，經(jīng)過多年研究剪力墻結(jié)構(gòu)應運而出，逐漸成為了高層建筑架構(gòu)設計中的核心環(huán)節(jié)，直接與建筑地震安全關(guān)聯(lián)，即剪力墻結(jié)構(gòu)的墻體布置成果對剪力墻的性能有直接影響，如果墻體布置成果存在缺陷，或不滿足基本要求，就會導致剪力墻性能下降，因此高層建筑的風險并不能得到有效控制，例如在地震中因為高層建筑剪力墻性能弱，所以建筑高層結(jié)構(gòu)會在短時間內(nèi)被破壞，甚至有可能倒塌，在這種情況下高層住戶就不能及時撤離，可見剪力墻性能對高層建筑安全有直接影響，在這種情況下如何合理布置剪力墻墻體結(jié)構(gòu)就成為了一項值得關(guān)注的事項，因此有必要針對該事項展開研究。

1 剪力墻墻體布置基本原則

1.1 雙向布置原則

高層建筑的抗震能力取決于建筑空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性取決于建筑的剛度、承載能力，因此要提高高層建筑抗震能力，就要提升建筑的剛度、承載能力，這一點應當在剪力墻墻體布置中體現(xiàn)。在剪力墻墻體布置中為了起到提高剛度、承載能力的作用，施工人員應當遵從雙向布置原則來布置墻體，即雙向布置原則下，剪力墻能夠有效加強建筑兩個方向的側(cè)剛度，這種側(cè)剛度在建筑受到震動力時會給對方提供支撐，因此有利于建筑抗震能力，同時在良好的支撐下，建筑墻體的承載能力也會增長，進一步提高建筑抗震能力[1]。

1.2 縱向均勻布置原則

剪力墻側(cè)剛度固然是建筑抗震能力的決定性因素，但側(cè)剛度在墻體布置或后續(xù)施工中可能會發(fā)生變化，這種變化對建筑抗震能力有不利影響。而為了消除側(cè)剛度變化造成的不利影響，在剪力墻墻體布置中還要遵從縱向均勻布置原則，該原則下建筑自上而下的連續(xù)性會增強，使得剪力墻縱向抗側(cè)性能提升，該性能的提升就能抵消側(cè)剛度變化不利影響[2]。

1.3 洞口相關(guān)原則

剪力墻洞口的設計與布置對剪力墻性能也有很大影響，因此在墻體布置中要予以重視。關(guān)于剪力墻洞口設計與布置的原則有：其一，要遵從力學原理進行洞口設計，設計中必須對個體洞口的規(guī)范性、洞口之間的整體性進行檢驗，不可隨意、盲目的設計洞口規(guī)格與布置方案，盡可能采用最優(yōu)方式展開洞口設計，同時無論洞口設計如何，設計成果不能對墻肢與梁的關(guān)系造成不利影響[3]；其二，在洞口設計中應當采用有限元方法對剪力墻進行檢測計算，通過計算可知洞口設計下剪力墻內(nèi)力、位移情況，了解剪力墻受力機理，若發(fā)現(xiàn)受力異常，就要對該墻體上的洞口進行排查，找出所有不規(guī)范洞口，隨后進行改正[4]；其三，在剪力墻墻體開洞中一定要尊重誤差最小化原則來施工，即開洞要依照設計要求進行，過程中開洞施工人員必須盡可能消除實際洞口與設計之間的誤差，誤差值至少不能超過最大允許值，否則就必須重新返工[5]。

1.4 墻肢比例優(yōu)化原則

剪力墻墻肢的高、寬比例對剪力墻的抗震能力同樣有直接影響，因此為了最大限度的提高剪力墻抗震能力，在墻體設計與布置中應當遵從比例優(yōu)化原則，盡可能的優(yōu)化墻肢高、寬比例。著眼于剪力墻抗震能力，墻肢高、寬比例優(yōu)化應當先從地震運動強度、頻率角度上出發(fā)，后對墻肢高、寬比例進行設計，盡可能保障比例在2 以上，這樣剪力墻抗震能力就得到保障，依照該比例設計方案進行墻體布置即可[6]。另外，在墻肢高、寬比例優(yōu)化設計與布置中，一定要先掌握建筑所在區(qū)域的地震烈度等級，依照抗震能力等級必須比所在地地震烈度等級高一級的規(guī)范要求設計比例，這也是墻肢比例優(yōu)化原則的一大要求。

2 剪力墻墻體布置方法

2.2 做好轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設計

為了保障剪力墻能夠?qū)Ω邔咏ㄖ峁┤嬷?，在剪力墻布置設計階段，設計人員必須重點關(guān)注剪力墻上下轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設計環(huán)節(jié)，做好該結(jié)構(gòu)設計對剪力墻墻體布置成果有重大影響。在上下轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設計中，設計人員要著重考慮轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的安裝問題，該問題在不同情況下要采用不同的布置方式來解決，文中主要列舉兩個常見情況：（1）假設轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)比較繁瑣，且屬于高位轉(zhuǎn)換底部空間時，要盡可能的將轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)緊密安置，均勻分配到各個結(jié)構(gòu)組成板塊中，保障轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)相互作用；（2）假設轉(zhuǎn)換層處于高位轉(zhuǎn)換狀態(tài)，設計中就要對剪力墻本身的質(zhì)量與剛度進行調(diào)整，保保障轉(zhuǎn)換層上下剛度一致。總體而言，在轉(zhuǎn)換層設計中設計人員要依照層間位移角均勻性、轉(zhuǎn)換層水平狀態(tài)等進行空間分析，了解轉(zhuǎn)換層墻體是否勻稱，同時了解轉(zhuǎn)換層內(nèi)力分布情況，找出其中薄弱位置，通過增加構(gòu)件配筋的方式來強化薄弱點，這樣能對剪力墻性能進行優(yōu)化[7]。

2.3 優(yōu)化連梁設計

因為現(xiàn)代剪力墻連梁有很多種設計方式，所以在不同設計方式的差異下，要對剪力墻剪力情況進行分析，再結(jié)合要求更改截面配筋情況，不斷對連梁設計進行優(yōu)化。連梁設計優(yōu)化需要注意三個要點：（1）在剪力墻內(nèi)力計算之前，必須完成連梁剛度拆減工作；（2）在剪力墻內(nèi)力計算完成后，要對當前連梁剪力進行精確計算，根據(jù)計算結(jié)果進行調(diào)整，隨后完成連梁剪力、彎矩設計[8]；（3）在連梁彎矩設計中要預先了解彎矩設計值下的預防烈度，要保障彎矩設計值預防烈度低于標準預防烈度值一度，只有在這種情況下彎矩設計值才能投入實際使用[9]。

2.4 優(yōu)化上下部結(jié)構(gòu)

因為現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)復雜，所以剪力墻墻體布置設計中經(jīng)常會在于剛度突變的難題，即在復雜結(jié)構(gòu)下，剪力墻的受力大小出現(xiàn)差異，這就會導致剪力墻剛度發(fā)生突然的變化。為了應對這一變化，在剪力墻墻體布置設計時要著重優(yōu)化上下結(jié)構(gòu)，具體方法為：（1）降低結(jié)構(gòu)上部的剛度，即在設計過程中最大限度的減少上部剪力墻的數(shù)量，使得上部結(jié)構(gòu)滿足壓軸比要求，隨后再縮短墻肢；（2）提升結(jié)構(gòu)下部剛度，保障墻體落地建立滿足實際要求，同時在這種設計方案下，必須對剪力墻結(jié)構(gòu)布置的均勻性進行控制，保障剪力墻結(jié)構(gòu)均勻的布置在平面層中。此外，在優(yōu)化上下部結(jié)構(gòu)時要規(guī)避一個誤區(qū)、注意一個問題，即誤區(qū)是指上下結(jié)構(gòu)的剛度選擇，很多設計人員認為上下結(jié)構(gòu)剛度越大越好，但實際情況中剛度超標會導致剪力墻更容易受地震影響，因此剛度必須合理選擇；問題是指上下結(jié)構(gòu)布置時的沉降問題，要解決該問題就要合理設計剪力墻界面尺寸，并對剛度進行嚴格控制。

3 剪力墻墻體布置的注意事項

3.1 混凝土強度

混凝土作為剪力墻的主要材料，其強度對剪力墻的性能有直接影響，因此混凝土強度是剪力墻布置中需要注意的事項之一。在剪力墻墻體布置設計中一定要依照規(guī)范標準去控制混凝土強度，一般情況下建議將混凝土強度控制在C20 以上，但如果剪力墻結(jié)構(gòu)中存在很多較短的墻肢，則混凝土的強度就不能低于C25，否則剪力墻性能會大幅降低。另外，在混凝土強度達標的情況下，設計人員還要注重剪力墻洞口豎向鋼筋配筋率，保障配筋率滿足標準，這樣能保障剪力墻混凝土在承受較大彎力時不容易開裂，且即使開裂也不會輕易出現(xiàn)坍塌等脆性剪拉損壞現(xiàn)象，總體而言能有效提高剪力墻穩(wěn)定性[10]。

3.2 截面厚度

剪力墻截面厚度對剪力墻性能也有影響，一般情況下要盡可能的降低墻體截面厚度，這能提高剪力墻平面剛度以及穩(wěn)定性。剪力墻墻體截面厚度一般不建議超過160mm，實際值要參考無肢長度和建筑物層高最低值來計算，并結(jié)合地區(qū)地震烈度等級確認。在剪力墻截面厚度得到保障的基礎上，剪力墻能夠作為墻體外平面的支撐，使得建筑外平面的剛度、穩(wěn)定性也提升，因此合理的截面厚度有利于剪力墻作用充分發(fā)揮。

3.3 剪力墻截面承受能力控制

很多剪力墻設計人員在剪力墻布置設計中都不知道如何控制截面承受能力，導致剪力墻性能無法達標。要控制剪力墻截面承受能力，設計人員應當重視洞口設計與鋼筋應用：（1）洞口設計，即在開洞設計中必須保障洞口規(guī)格不低于標準；（2）鋼筋應用必須重視鋼筋的直徑，一般不得低于12mm，同時必須如果剪力墻中存在鋼筋截面切斷洞口的現(xiàn)象，就必須對該洞口及周邊進行步驟，這樣才能對剪力墻截面承受能力進行合理控制，至少不會低于規(guī)范標準。

3.4 成本控制

在剪力墻布置設計中要優(yōu)先考慮墻體整體性能問題，而在墻體整體性能無異常的情況下，就要開始對成本進行控制。一般情況下，剪力墻的成本與施工用材總量有關(guān)，因此成本控制就要針對這一點，盡可能拉近實際用材與實際需求之間的差距，例如在剪力墻鋼筋應用中，就必須根據(jù)設計要求計算最小用材數(shù)量，隨后依照計算結(jié)果購入材料，這樣就能提高剪力墻成本精確性。

4 結(jié)語

綜上，本文對高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)墻體布置方法進行了分析，闡述了墻體布置基本原則、布置方法與注意事項。通過分析了解到，遵從基本原則進行剪力墻墻體布置設計工作，才能保障剪力墻自身性能滿足實際要求，并與高層建筑相互貼合，為高層建筑提供強有力的抗震支撐。采用文中墻體布置方法，能夠從設計環(huán)節(jié)出發(fā)，全面對剪力墻墻體本身性能、布置后的性能進行控制，充分發(fā)揮剪力墻作用。同時根據(jù)注意事項，能夠保障剪力墻布置設計順利實施，且具有良好經(jīng)濟效益。