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

馮玉敏

山東省菏澤市建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 山東 菏澤 274000

1 剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)分析

剪力墻結(jié)構(gòu)最主要的優(yōu)勢(shì)在于美觀、穩(wěn)定性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性高。其中，穩(wěn)定性強(qiáng)來源于剪力墻較強(qiáng)的剛度與承載力，可以有效抵御外部荷載，對(duì)于水平荷載的抵抗作用更為明顯，因此，剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效加強(qiáng)建筑整體的穩(wěn)定性，這也是剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用最主要的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)濟(jì)性高指的是剪力墻通常會(huì)選擇混凝土澆筑的施工方法，能夠在保證剪力墻綜合性能與作用的基礎(chǔ)上降低鋼材的用量，因此成本投入較少，這也是剪力墻結(jié)構(gòu)獲得廣泛應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)之一。美觀性是在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、人們對(duì)生活質(zhì)量的追求越來越高的背景下對(duì)建筑建設(shè)的要求發(fā)生了轉(zhuǎn)變，剪力墻結(jié)構(gòu)可以將建筑內(nèi)部分隔墻和承重墻有效結(jié)合，特別是隔斷墻設(shè)計(jì)，能夠留余更多的建筑內(nèi)空間，提高使用功能的同時(shí)也提高了整體的美觀性[1]。

2 剪力墻在高層建筑中的應(yīng)用

2.1 剪力墻結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

有些房屋的剪力墻自建筑基礎(chǔ)至屋頂沒有被打斷稱為全部落地剪力墻結(jié)構(gòu)。這是剪力墻最常見的一種結(jié)構(gòu)體系。全部落地剪力墻是單一的抗震防線，因此相關(guān)國家規(guī)范中對(duì)其位移角的要求最嚴(yán)格。相對(duì)全部落地剪力墻結(jié)構(gòu)，部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)由于框支框架的存在，其實(shí)先天性存在豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)這一項(xiàng)不規(guī)則類型。由于其豎向和水平向的力學(xué)復(fù)雜性，在分析其受力時(shí)，一般要求采用更為復(fù)雜的計(jì)算方法。首先進(jìn)行常規(guī)的振型分解反應(yīng)譜法得出位移、底部剪力等結(jié)果，與采用彈性時(shí)程分析方法相比，若后一種方法計(jì)算出的結(jié)果大，要按比例提高振型分解反應(yīng)譜法中地震剪力。在罕遇地震作用下轉(zhuǎn)換部位是薄弱部位，為保證大震不倒要滿足彈塑性變形要求。對(duì)框支框架一般要采用有限元法分析轉(zhuǎn)換梁與剪力墻的共同受力。

2.2 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

根據(jù)框架和剪力墻分擔(dān)的在規(guī)定水平力作用下的地震傾覆力矩與結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的比值不同，確定不同的設(shè)計(jì)方法。當(dāng)比值不超過10%時(shí)，框架不具備形成二道防線的能力，一般按剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。而框架部分應(yīng)按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中的框架進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)比值超過10%且不超過50%時(shí)，這是典型的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。當(dāng)比值超過50%且不超過80%時(shí)，也可按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)比值超過80%時(shí)，其受力性能更接近框架結(jié)構(gòu)。在典型的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中，存在著2道抵抗地震力的防線，即剪力墻和框架分別扮演著抵抗地震力的第一和第二道防線的角色。由梁柱組成的框架抗側(cè)剛度明顯小于剪力墻的抗側(cè)剛度，其間存在數(shù)量級(jí)的差別。特別是在罕遇地震作用下，剪力墻首先出現(xiàn)屈服破壞，框架單獨(dú)工作的狀態(tài)。房屋設(shè)計(jì)時(shí)，水平力不是讓框架和剪力墻按提供抗側(cè)剛度的比例分配，而是有意識(shí)地保證剪力墻抵抗相應(yīng)水平力的同時(shí)，保證框架結(jié)構(gòu)有足夠的在剪力墻失效時(shí)抵抗水平力的能力，實(shí)現(xiàn)大震不倒的目標(biāo)。

2.3 板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)有許多相似之處。主要差別在于板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)中某些部位不設(shè)置框架梁通過厚板來傳遞水平和豎向力。厚板與梁相比力學(xué)性能要差一些。在抗震設(shè)計(jì)上，板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算與構(gòu)造比框架-剪力墻結(jié)構(gòu)要嚴(yán)格。高規(guī)中要求板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻能抵抗超過80%相應(yīng)方向的風(fēng)荷載引起的水平剪力，并且能抵抗相應(yīng)方向的全部地震剪力。板柱部分承載力要求提高到可抵抗超過20%相應(yīng)方向的地震剪力。一般分析方法可采用振型分解反應(yīng)譜法，但要滿足罕遇地震作用下的薄弱層彈塑性變形驗(yàn)算[2]。

2.4 筒體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

筒體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式很獨(dú)特，具有結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度大、整體性強(qiáng)、受力合理、使用靈活等許多優(yōu)點(diǎn)，比較適合更高的高層建筑。特別是在B級(jí)高度房屋中應(yīng)用廣泛。筒體結(jié)構(gòu)最常見的為框架-核心筒和筒中筒。一般高度不超過60m的框架-核心筒受力性能與框架-剪力墻十分接近，所以一般允許按照框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。高度超過60m的框架-核心筒，其受力性能有別于框架-剪力墻。此時(shí)也可按照兩道抗震防線的理念進(jìn)行設(shè)計(jì)。但剪力墻圍合而成的核心筒的抗側(cè)剛度要比框架-剪力墻中分散設(shè)置的剪力墻的抗側(cè)剛度大很多，框架-核心筒的二道防線設(shè)計(jì)也有別于框架-剪力墻。特別是框架部分承擔(dān)的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的最大值與結(jié)構(gòu)底部總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)的比值不到10%時(shí)，提高框架作為二道防線所分配的地震剪力，同時(shí)也要提高核心筒抗震承載力。筒中筒是指由鋼筋混凝土剪力墻圍成的外筒和內(nèi)筒?；蛲瑫r(shí)存在外圍的密集布置的柱和大截面的框架梁組成的框架筒體與剪力墻結(jié)構(gòu)圍合而成的核心筒體。其設(shè)計(jì)思路接近剪力墻結(jié)構(gòu)，但剪力墻圍成的筒體結(jié)構(gòu)空間受力性能更強(qiáng)，抗側(cè)剛度會(huì)顯著優(yōu)于普通剪力墻。在筒體剪力墻的構(gòu)造上要求也更高。筒體結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用中一般是超限的，需報(bào)超限審查。分析方法除一般的如振型分解反應(yīng)譜法、彈性時(shí)程分析法補(bǔ)充計(jì)算等外，要依據(jù)超限專家組給出的意見進(jìn)行其他有針對(duì)性的計(jì)算方法和構(gòu)造要求。

3 高層住宅結(jié)構(gòu)剪力墻優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)方案

3.1 優(yōu)化剪力墻平面分布

合理的剪力墻平面分布可以提高建筑的穩(wěn)定性，在抗風(fēng)、抗震等方面有很大的意義。剪力墻的平面分布設(shè)計(jì)可以優(yōu)化：①保持剪力墻表面平整，平整的剪力墻可以保證受力均勻，減少壓力突然變化引起的建筑物不穩(wěn)定；②減少剪力墻平面外彎矩，可以通過添加輔助墻肢、扶壁柱等結(jié)構(gòu)來緩解外彎矩帶來的負(fù)面影響；③保證剪力墻對(duì)稱分布于高層建筑中心軸的兩側(cè)，提高建筑的抗側(cè)力、降低建筑的扭矩，提高抗震能力；④對(duì)于不同的層數(shù)設(shè)計(jì)不同的剪力墻剛度，提高建筑物的承載力[3]。

3.2 保證剪力墻的延展度

在高層建筑中，容易遇到需要配備較高剪力墻的情況，如果剪力墻延展度不高、彎曲性能差會(huì)導(dǎo)致建筑不穩(wěn)定，因此，可以采用易于延展的具有一定彎曲性的剪力墻來提高建筑的穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。

3.3 盡量使用長度合理的剪力墻

實(shí)際應(yīng)用中，盡量減少短肢墻的使用不僅可以降低施工難度，而且可以充分利用剪力墻的抗側(cè)移能力，并且，減少短肢墻的使用可以降低需要的鋼筋數(shù)量、節(jié)約成本。

3.4 合理設(shè)計(jì)剪力墻剛度分布

剪力墻的剛度分布對(duì)于高層建筑的抗扭轉(zhuǎn)性和抗側(cè)力十分重要，因此，應(yīng)該盡量保證建筑四周剪力墻剛度高、建筑中間剪力墻剛度低。并且，應(yīng)該增加建筑周圍的剪力墻數(shù)量、降低電梯間區(qū)域剪力墻數(shù)量，以提高結(jié)構(gòu)的整體剛度、抗側(cè)翻能力、位移比等關(guān)鍵參數(shù)[4]。

3.5 采用合理的剪力墻形狀

形狀復(fù)雜的剪力墻會(huì)造成受力分析復(fù)雜、施工困難等問題，實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減少使用，同時(shí)，一字型剪力墻抗震能力低，平面外穩(wěn)定性容易被破壞。因此，應(yīng)該采用合理的剪力墻形狀，盡量使用L形或T形剪力墻保證墻體良好的穩(wěn)定性、充分發(fā)揮鋼筋的承重能力。

3.6 優(yōu)化剪力墻搭配鋼筋比例

鋼筋是剪力墻結(jié)構(gòu)的核心成分之一，也是剪力墻承重的主要材料，在進(jìn)行高層住宅結(jié)構(gòu)剪力墻優(yōu)化時(shí)，應(yīng)該重點(diǎn)考慮對(duì)鋼筋配比的優(yōu)化。

3.7 采用高強(qiáng)度材料

鋼筋混凝土是當(dāng)今剪力墻結(jié)構(gòu)的主要組成材料，但是其具有重量大、成本高等特點(diǎn)，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，可以增加對(duì)高強(qiáng)度鋼筋混凝土的使用，以減少單位承重力需要的材料數(shù)量、減小結(jié)構(gòu)尺寸，此外，在隔墻等結(jié)構(gòu)上適當(dāng)采用輕質(zhì)墻板等材料可以進(jìn)一步減小樓體重量，是降低成本的有效措施[5]。

4 結(jié)束語

隨著建筑高層化的發(fā)展，剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛，而在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，如何進(jìn)一步加強(qiáng)剪力墻結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，改善剪力墻結(jié)構(gòu)體系則成為當(dāng)下需要解決的問題。設(shè)計(jì)人員需要在設(shè)計(jì)中進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化，積極借鑒國內(nèi)外剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的先進(jìn)理念、技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況靈活調(diào)整，以確保剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。