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

李長(zhǎng)武（蘭州新現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)有限公司，甘肅 蘭州 730000）

隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，人們對(duì)建筑工程的質(zhì)量要求不斷提升，為滿足不斷提升的社會(huì)需求，建筑行業(yè)內(nèi)一直在積極的探索創(chuàng)新路徑，多種先進(jìn)的建筑工藝和施工方法被不斷應(yīng)用到建筑的建造過(guò)程中，在一定程度上提高了建筑工程的建筑質(zhì)量，推動(dòng)了建筑行業(yè)的綜合發(fā)展。剪力墻結(jié)構(gòu)就是近年來(lái)獲得廣泛應(yīng)用的一種建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)科學(xué)的應(yīng)用剪力墻結(jié)構(gòu)，能大幅提升建筑的綜合性能。但目前行業(yè)內(nèi)關(guān)于剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的尺寸、安裝位置等尚未形成統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)注，主要依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)展開(kāi)設(shè)計(jì)，使得不同建筑中剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和安裝都存在一定差異性，也可能存在一些安全隱患。設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分掌握剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，保證剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能滿足建筑的建設(shè)要求。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則

剪力墻結(jié)構(gòu)具有經(jīng)濟(jì)性高、美觀程度好、剛度大、承載力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，能有效提高建筑結(jié)構(gòu)對(duì)水平荷載的抵抗能力，使建筑結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性得到有效提升。但是由于目前國(guó)家和行業(yè)內(nèi)并沒(méi)有針對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形成統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，因此，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則：

1.1 拉通對(duì)直

在設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)注意保持將上下樓層剪力墻結(jié)構(gòu)中的門窗和洞口保持垂直方向?qū)χ?，合理?guī)劃結(jié)構(gòu)的傳力途徑，保證剪力墻結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。同時(shí)，應(yīng)沿軸線將剪力墻結(jié)構(gòu)拉通對(duì)直，避免因出現(xiàn)重疊或錯(cuò)洞現(xiàn)象影響整體結(jié)構(gòu)的綜合性能。

1.2 雙向布置原則

將剪力墻結(jié)構(gòu)沿著結(jié)構(gòu)的縱、橫兩個(gè)方向鋪設(shè)，能進(jìn)一步提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，保證剪力墻結(jié)構(gòu)具有雙側(cè)抗側(cè)力，還應(yīng)盡量控制縱橫兩個(gè)方向產(chǎn)生的側(cè)剛度數(shù)值相近，使二者自振周期接近。

1.3 豎向貫穿

科學(xué)的剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)沿豎直方向從上至下貫穿整個(gè)結(jié)構(gòu)，若剪力墻結(jié)構(gòu)在豎直方向上發(fā)生結(jié)構(gòu)的變化，則墻體的剛度和厚度也可能一起發(fā)生變化，影響建筑結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，此時(shí)，可通過(guò)調(diào)整剪力墻單元?jiǎng)偠鹊姆绞教岣呓Y(jié)構(gòu)對(duì)側(cè)剛度的抵抗能力，規(guī)避因剛度突變對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能產(chǎn)生的負(fù)面影響。

1.4 洞口宜上下對(duì)齊、成列布置

孔洞會(huì)對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的承載力及剛度造成一定的影響，但當(dāng)剪力墻結(jié)構(gòu)整片長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，墻體需要承載的負(fù)荷過(guò)大，通過(guò)合理的開(kāi)口能有效分?jǐn)傌?fù)荷，用弱梁連接洞口，同時(shí)將墻肢長(zhǎng)度控制在8m之內(nèi)[1]。

1.5 與建筑高度適配

剪力墻結(jié)構(gòu)根據(jù)孔口設(shè)計(jì)的不同分為實(shí)體剪力墻、小開(kāi)口剪力墻、聯(lián)肢剪力墻、壁式框架剪力墻等類型，應(yīng)根據(jù)建筑的實(shí)際情況科學(xué)的選擇不同的剪力墻結(jié)構(gòu)，使其技能與建筑的高度適配，又能滿足建筑的受力需求，少數(shù)類型的剪力墻結(jié)構(gòu)不宜在建筑中大面積應(yīng)用，可能會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)受力不均。

1.6 降低墻肢的平面外彎矩

降低墻肢平面外彎矩的方法較多，如提高壁柱數(shù)量、增加豎直墻體數(shù)量、增加配筋率等，可結(jié)合實(shí)際條件靈活地選擇。

2 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

2.1 基礎(chǔ)方案及承重構(gòu)件的設(shè)計(jì)

剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案應(yīng)以施工現(xiàn)場(chǎng)的水文地質(zhì)情況、周邊建筑分布情況、工程的建設(shè)要求等多種要素為基準(zhǔn)綜合確認(rèn)，確保剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案既能滿足建設(shè)要求，又能與周圍環(huán)節(jié)和諧共生。設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合建筑施工環(huán)境、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求等合理規(guī)劃剪力墻的承重構(gòu)件，保證建筑主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性合格。應(yīng)將墻體配筋率作為剪力墻承重構(gòu)件設(shè)計(jì)的關(guān)注重點(diǎn)，水平和豎直方向的配筋率不應(yīng)低于0.25%，少數(shù)框支剪力墻結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)位置的配筋率應(yīng)不少于0.3%。在剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)積極認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)方案的重要性，重點(diǎn)控制承重構(gòu)件的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，結(jié)合自身設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和工程的各項(xiàng)參數(shù)科學(xué)確定工藝參數(shù)及建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，避免因設(shè)計(jì)不合理為結(jié)構(gòu)帶來(lái)的安全隱患，完成設(shè)計(jì)后應(yīng)多方驗(yàn)證，確保設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性和可行性。

2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

剪力墻結(jié)構(gòu)需要采用雙向設(shè)計(jì)，使墻體內(nèi)部形成空間結(jié)構(gòu)，尤其是抗震防御區(qū)，在進(jìn)行雙向設(shè)計(jì)的過(guò)程中盡量將來(lái)自兩個(gè)方向的剛度保持一致[2]。剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中盡量保持其平面均勻分布，剛度中心接近建筑結(jié)構(gòu)整體的中心，最大化減少扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，若剛度中心與建筑中心的偏離程度較高，可在條件允許的情況下通過(guò)調(diào)整墻肢長(zhǎng)度和連梁的高度對(duì)剛度中心位置進(jìn)行調(diào)整。由于剪力墻具有較強(qiáng)的抗側(cè)剛性，結(jié)構(gòu)自振周期較短，承受的水平地震作用較大，可能影響結(jié)構(gòu)的整體性能。為減少水平地震剪力對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響，可通過(guò)減少墻體厚度，在主次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中增大墻體間距，減少墻體總數(shù)等方式降低結(jié)構(gòu)整體自重，增加結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度。剪力墻結(jié)構(gòu)最顯著的優(yōu)勢(shì)就是具較好的承載能力和平面剛度，但平面外承載力和剛度卻相對(duì)較弱，若在設(shè)計(jì)中直接將平面外方向梁與剪力墻相連，可能會(huì)使墻肢平面外彎矩增大，為改善此種情況，在樓面截面不大的條件下，可采用半剛接的設(shè)計(jì)方案調(diào)整墻肢平面外彎矩。

2.3 大墻肢處理

在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮其具有的延伸性，若未能對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的處理，可能會(huì)影響剪力墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久度[3]。在保證剪力墻結(jié)構(gòu)滿足建筑承載要求的前提下，可采用封層間隔的設(shè)計(jì)形式將長(zhǎng)度較大的剪力墻結(jié)構(gòu)劃分成一定數(shù)量的獨(dú)立墻段，提高其穩(wěn)定性，避免建筑在投入使用后因外力的作用對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)整體造成破壞，若想實(shí)現(xiàn)該目的可在施工過(guò)程中在長(zhǎng)度較長(zhǎng)的剪力墻結(jié)構(gòu)中適當(dāng)開(kāi)孔，即是將長(zhǎng)墻肢轉(zhuǎn)化為短墻肢，施工結(jié)束后對(duì)開(kāi)設(shè)的空洞進(jìn)行必要的封堵。另外，還可通過(guò)調(diào)整配筋數(shù)量提高長(zhǎng)度較小的剪力墻結(jié)構(gòu)的承載能力，可在設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)適當(dāng)留洞，以適當(dāng)調(diào)整墻肢的配筋數(shù)量。

2.4 剪力墻厚度的控制與配筋

一般情況下，剪力墻的高度和寬度數(shù)值較大，但厚度較小，受力特點(diǎn)與柱形結(jié)構(gòu)相似，主要存在高厚比的差異性，若高厚比小于4，可借鑒柱的設(shè)計(jì)方法對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)設(shè)計(jì)；若高厚比約等于4，可借鑒異形柱的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙向受壓結(jié)構(gòu)。

2.4.1 剪力墻結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)家的相關(guān)規(guī)定要求，若建筑工程的抗震等級(jí)是一級(jí)或二級(jí)，則剪力墻底部加強(qiáng)部位的厚度應(yīng)大于200mm，并且應(yīng)大于層高的1/16，剪力墻的其他結(jié)構(gòu)厚度不能小于160mm；若剪力墻端頭未涉及翼墻，則應(yīng)大于層高的1/12[4]。但是相關(guān)規(guī)定并不適用于所有建筑結(jié)構(gòu)，如在設(shè)計(jì)低高層或多層建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，若建筑層數(shù)在5~15以內(nèi)，該種情況下的剪力墻肢在重力荷載代表值下，軸壓比多小于0.2，若按照規(guī)定計(jì)算，底部功能要求3.9m層高，墻體厚度至少為240mm。若出現(xiàn)此種情況，設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合自身設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)概念設(shè)計(jì)分析，重新規(guī)劃墻肢軸壓比，驗(yàn)算剪力墻墻體截面的強(qiáng)度，科學(xué)設(shè)置配筋率，在確保剪力墻綜合性能符合建筑要求的情況下，減少墻體厚度。

2.4.2 墻體配筋率設(shè)計(jì)

國(guó)家明確規(guī)定，在設(shè)計(jì)抗震等級(jí)為一、二、三級(jí)的剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，水平和豎直方向的最小配筋率不應(yīng)小于0.25%，部分框支剪力墻底部加強(qiáng)位置配筋率不應(yīng)小于0.3%。該要求在長(zhǎng)度較大或高度較高的剪力墻結(jié)構(gòu)中應(yīng)用能顯著提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但是在低矮剪力墻結(jié)構(gòu)中應(yīng)用時(shí)應(yīng)反復(fù)確認(rèn)配筋率的科學(xué)性。

2.5 連梁的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

連梁主要承擔(dān)連接墻肢的作用，墻肢會(huì)在強(qiáng)大的水平負(fù)荷作用下發(fā)生彎折現(xiàn)象，進(jìn)而影響連梁的平直度，破壞墻肢整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[5]。通過(guò)改善墻肢的受力情況能有效規(guī)避墻肢的彎折，因此，連梁設(shè)計(jì)的合理性也會(huì)在一定程度上影響剪力墻結(jié)構(gòu)的整體性能。

連梁并不是所有剪力墻中的必要結(jié)構(gòu)，但對(duì)設(shè)有連梁的剪力墻來(lái)說(shuō)，若設(shè)計(jì)合理性不足，則勢(shì)必會(huì)對(duì)連梁的承載力造成一定的影響，甚至?xí)斐山孛媾c設(shè)計(jì)不符的情況。所以，在設(shè)計(jì)連梁的過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下內(nèi)容：①折減連梁剛度[6]，連梁跨高較低，與其相連的墻肢剛度較大，在產(chǎn)生水平應(yīng)力時(shí)會(huì)使連梁承受較大內(nèi)力作用，進(jìn)而引發(fā)連梁裂縫或破損，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)科學(xué)折減連梁的剛度，若設(shè)防裂度較小，可適當(dāng)減少折減量，若設(shè)防裂度較大可適當(dāng)增加折減，但應(yīng)控制折減系數(shù)在0.5以上；②增加洞口寬度，在降低連梁高度的同時(shí)增加洞口寬度，能顯著減少連梁剛度，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能；③結(jié)合實(shí)際情況增加剪力墻厚度。

3 結(jié)語(yǔ)

在城市人口不斷增加的情況下，城市中的建筑高度會(huì)呈現(xiàn)逐漸提高的發(fā)展趨勢(shì)，剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍也會(huì)不斷提升，為進(jìn)一步提升剪力墻結(jié)構(gòu)的科學(xué)性和合理性，設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不斷進(jìn)行創(chuàng)新與優(yōu)化，通過(guò)應(yīng)用剪力墻結(jié)構(gòu)，促進(jìn)我國(guó)高層建筑的建筑工藝更加成熟，推動(dòng)我國(guó)建筑行業(yè)的不斷發(fā)展。