剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用探析

王 展

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730000）

隨著國民生活水平提高，建筑行業(yè)開始積極探索建筑結(jié)構(gòu)新方向，剪力墻就是積極探索出的成果之一。由于剪力墻結(jié)構(gòu)具有極好的抗風(fēng)、抗震能力，目前已經(jīng)成為沿?；虻卣鹨装l(fā)地區(qū)的高層建筑優(yōu)先選擇。此外，剪力墻結(jié)構(gòu)具有較大的剛度，且墻體布置靈活，適于當(dāng)前高層建筑的發(fā)展需求。設(shè)計人員應(yīng)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中掌握剪力墻的設(shè)計重點，才能在項目建設(shè)過程中最大化發(fā)揮剪力墻的應(yīng)用價值[1]。

1 剪力墻結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計

對于有抗震要求地區(qū)的建筑，剪力墻應(yīng)采用橫縱向雙向布置。根據(jù)建筑功能的要求，合理布置剪力墻的數(shù)量、位置和長度，從平面整體來看橫縱雙向剪力墻的剛度宜相近。同時，墻體布置應(yīng)以均勻、對稱、分散等原則分布，保證墻體受力均勻，通過合理布置洞口、墻肢長度、高度等方式，使墻體的剛度中心盡可能地接近建筑物的質(zhì)量中心，從而達(dá)到降低扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的目的[2]。

剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)自上而下連續(xù)設(shè)置，避免出現(xiàn)剛度突變，門窗洞口應(yīng)盡量對齊設(shè)置。在空間整體計算分析中，需考慮墻體的拉壓、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的變形以及建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定，在計算過程中要正確判斷嵌固端的位置。在墻肢布置時，應(yīng)合理控制短肢剪力墻的比率，避免出現(xiàn)過多的短肢剪力墻。在墻肢設(shè)計中，可采用剛度較小的弱連梁，或增加墻體的間距，分散排布墻體，以此來保證墻體受力均勻、可控[3]。

剪力墻可以分為整體墻、小開口墻、聯(lián)肢墻、壁式框架墻等。

（1）整體剪力墻具有本身穩(wěn)定性強(qiáng)的特點，且具有很強(qiáng)的抗拉和抗壓能力。其中，有些墻上的洞相對較大，但總體數(shù)量很少。在應(yīng)力作用下，遇到較大的水平荷載，需增大剪力墻的高度和寬度，以避免墻體出現(xiàn)截面變形。在日常使用過程中墻壁局部仍可能出現(xiàn)較大變形，但整體符合剪力墻的相關(guān)要求，在線性應(yīng)力作用下，剪力墻保持安全和穩(wěn)定。

（2）小開口墻在剪力墻結(jié)構(gòu)中也很常見。如果剪力墻的孔洞面積持續(xù)變大時，它會形成一個小的開放墻體。荷載作用會使小開口的剪力墻結(jié)構(gòu)受到影響，墻肢會出現(xiàn)法向應(yīng)力，這些法向應(yīng)力規(guī)則分布。荷載作用下，剪力墻的彎曲應(yīng)力和主應(yīng)力相互疊加，形成小開口剪力墻。

（3）聯(lián)肢墻類似小開口剪力墻，只是剪力墻中孔洞更多，如果洞口連接位置的強(qiáng)度比例較小時，在荷載作用下，連接位置會出現(xiàn)一個反彎點。在這個結(jié)構(gòu)中每個墻肢都是獨立的個體，獨立承擔(dān)作用。這些獨立的墻肢個體相互連接形成聯(lián)肢剪力墻。

（4）壁式框架墻是剪力墻中孔洞最大的墻。墻洞越大，墻肢獨立性越強(qiáng)，如果孔洞連接位置強(qiáng)度較大時，剪力墻的應(yīng)力也會發(fā)生改變。壁式框架墻與框架結(jié)構(gòu)具有相似性，在荷載作用下截面會出現(xiàn)彎矩。

2 剪力墻的布置原則

第一，洞口對齊。在設(shè)計過程中，建筑與結(jié)構(gòu)專業(yè)應(yīng)多溝通、配合，在整體建筑風(fēng)格等上，結(jié)構(gòu)滿足建筑的要求。在細(xì)部洞口設(shè)置等問題上，建筑應(yīng)盡量滿足結(jié)構(gòu)專業(yè)的要求，保證結(jié)構(gòu)受力合理。沿立面方向，上方樓層與下方樓層的洞口進(jìn)行一一對應(yīng)，避免剛度發(fā)生突變，確保結(jié)構(gòu)的抗震能力。剪力墻墻肢的斷面應(yīng)盡量簡單、規(guī)則，不宜將單片剪力墻長度設(shè)置的過長。

第二，橫縱布設(shè)。從歷年震后建筑物的破壞情況來看，通過橫縱雙向設(shè)置剪力墻結(jié)構(gòu)，可以保證雙向墻體都具備足夠的抗震能力，提高房屋的抗震水平。在前期平面方案布局中，建筑專業(yè)應(yīng)充分考慮剪力墻的設(shè)置位置及長度，確保橫縱向剛度保持平衡，最終達(dá)到建筑物在兩個主軸方向具有相近的自振周期的目的。

第三，上下貫穿結(jié)構(gòu)。為避免在地震作用下，建筑中剛度較弱樓層的結(jié)構(gòu)構(gòu)件因剛度突變發(fā)生破壞，設(shè)計人員對建筑物的剛度進(jìn)行整體把控，根據(jù)樓層的不同層高，對各樓層剛度進(jìn)行逐步調(diào)整，避免發(fā)生剛度突變。有時因建筑功能要求，頂層需要設(shè)置大開間而需要將部分剪力墻去掉時，在方案布置時應(yīng)盡量將大開間功能的房間布置在建筑物的中部，以減小對整體結(jié)構(gòu)的影響。

第四，不宜過長。通過合理設(shè)置洞口，將較長的剪力墻劃分為剪力墻加連梁的形式，避免墻體發(fā)生剪切破壞。弱連梁的跨高比應(yīng)按照不小于5 進(jìn)行控制，各個洞口之間會通過“弱梁”才形成整體。

第五，靈活適配。在選擇剪力墻作為結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件時，需要結(jié)合建筑實際情況，比如建筑高度、平面形狀、建筑功能等進(jìn)行靈活布置。由于剪力墻結(jié)構(gòu)對墻體之間的間距有一定要求，所以在實際應(yīng)用中不太適用于對空間要求較大的建筑結(jié)構(gòu)。

第六，控制墻體外彎矩。剪力墻可以看作是單向抗側(cè)力構(gòu)件，其平面內(nèi)具有較大的結(jié)構(gòu)剛度，但平面外結(jié)構(gòu)剛度就比較小，在平面外承受荷載的時候，需通過設(shè)置連梁、暗柱、扶壁柱等措施，確保傳力體系完整。目前，常用的構(gòu)造主要有以下幾種：（1）與連梁同向，設(shè)置剪力墻。（2）在適當(dāng)位置增設(shè)壁柱、暗柱或型鋼等。（3）將連梁、墻體連接節(jié)點設(shè)計成鉸接形式，避免產(chǎn)生平面外彎矩。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計

3.1 基礎(chǔ)方案設(shè)計

基礎(chǔ)設(shè)計過程中需要結(jié)合現(xiàn)場實際情況進(jìn)行合理的設(shè)計，集中收集建筑周邊的設(shè)施狀況、水文狀況、地質(zhì)狀況、周邊道路情況，進(jìn)一步確定基礎(chǔ)設(shè)計方案。重點核查豎向受力構(gòu)件的截面及相關(guān)的計算參數(shù)是否正確。基礎(chǔ)設(shè)計中，應(yīng)結(jié)合自身設(shè)計經(jīng)驗和地質(zhì)勘察資料，合理確定各項參數(shù)，避免因計算與實際工程差異或參數(shù)選取錯誤為結(jié)構(gòu)帶來的安全隱患。完成設(shè)計后應(yīng)多方驗證，確保設(shè)計方案的合理性和可實施性[4]。

3.2 墻肢長度控制

剪力墻具有較大的結(jié)構(gòu)剛度，但是墻體如果設(shè)置過長，在一定荷載作用下，就會產(chǎn)生較大的裂縫，對結(jié)構(gòu)是不利的。因此，在設(shè)計過程中需要對剪力墻的長度進(jìn)行控制。墻段長度應(yīng)不大于8 m，要避免形成短肢剪力墻或是對短肢剪力墻的數(shù)量、比率等進(jìn)行限定。這是設(shè)計人員在剪力墻設(shè)計過程中需要控制和把握的問題。針對這一問題，為避免墻體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，設(shè)計人員可以通過對較長墻體進(jìn)行劃分，形成明確的墻肢和連梁，保證墻體在恒、活、風(fēng)荷載、地震作用等工況下均可以滿足建筑使用和安全性的要求。在縱墻滿足一定長度要求時，可以作為與其相連橫墻的有效翼緣，具有有效翼緣時邊緣構(gòu)建的尺寸可以適當(dāng)減小。這樣整棟建筑物的成本會更加經(jīng)濟(jì)，也可以增加房間的使用空間。

3.3 剪力墻截面、配筋

剪力墻即是建筑豎向荷載的主要承重構(gòu)件，又是風(fēng)荷載、地震作用等水平力作用下的主要抗側(cè)力構(gòu)件，具有十分重要的作用。剪力墻的厚度主要由以下幾個方面控制：一是墻體穩(wěn)定方面。墻體所承受的恒、活荷載越大，墻體越薄，墻體有效長度越長，都越容易失穩(wěn)，對結(jié)構(gòu)不利。二是構(gòu)造要求方面。無論是抗震等級、剪力墻所在的位置（底部加強(qiáng)部位還是一般部位）、剪力墻的形狀（一字形還是帶有端墻的剪力墻）等，都對剪力墻的最小厚度有一定的要求，保證剪力墻具有足夠的剛度以及延性。三是軸壓比控制方面。軸壓比主要受抗震等級影響，控制剪力墻軸壓比的目的主要在于減小地震作用下的塑形變形。四是結(jié)構(gòu)整體剛度的要求，剪力墻截面尺寸直接影響著建筑物的整體剛度，以避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大位移，影響結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性及舒適性。此外，對于特殊的剪力墻，如短肢剪力墻、短肢一字形剪力墻等還有特殊的規(guī)定。

剪力墻的配筋主要由兩個方面確定，一方面是構(gòu)造要求，配筋率（墻身和邊緣構(gòu)件）、鋼筋排布、最小直徑、最小間距要求等，這些規(guī)定一是在構(gòu)造上確保剪力墻構(gòu)件在地震等不利因素作用下，能避免發(fā)生延性破壞，并避免出現(xiàn)脆性破壞，這樣在災(zāi)害來臨時，給人保留逃離的機(jī)會。二是確保鋼筋和混凝土能更好的協(xié)同工作，不會因鋼筋太密，影響混凝土的澆筑質(zhì)量和鋼筋的握裹力。另一方面是在風(fēng)、雪荷載、地震作用等不利作用下，通過承載力或舒適性要求，進(jìn)行計算確定，其中包括有受剪承載力驗算、受壓承載力驗算、受拉承載力驗算等。

3.4 剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)

對于一般剪力墻結(jié)構(gòu)來說，剪力墻結(jié)構(gòu)底部一定范圍是整個建筑的薄弱位置。在地震作用下，剪力墻的底部容易出現(xiàn)塑性鉸，對結(jié)構(gòu)不利。對此，通過對此區(qū)域的抗震等級進(jìn)行適度提高，人為增大剪力墻底部加強(qiáng)部位的彎矩設(shè)計值和剪力設(shè)計值，以確保地震作用下，結(jié)構(gòu)不會首先從底部發(fā)生脆性破壞。除了抗震等級要求的彎矩設(shè)計值和剪力設(shè)計值的提高外，與一般樓層設(shè)置的構(gòu)造邊緣構(gòu)件不同，在一定條件下，底部加強(qiáng)部位及其上一層設(shè)置有約束邊緣構(gòu)件。此外，對短肢剪力墻的配筋率二者也都有不同的規(guī)定。

3.5 連梁設(shè)計

在剪力墻結(jié)構(gòu)中，連梁具有十分重要的作用，不僅可以協(xié)調(diào)相鄰剪力墻之間的位移變形，減小建筑的側(cè)移，還起到將獨立的墻肢進(jìn)行連接，使結(jié)構(gòu)具有整體性的作用。通常，在水平力的作用下，連梁與墻肢產(chǎn)生相互約束的彎矩和剪力，易出現(xiàn)剪切破壞。在剪力墻的設(shè)計過程中，首先，要確保連梁具有足夠的剛度，避免在地震作用下因吸收地震能量，過早的出現(xiàn)脆性破壞。其次，連梁的屈服要早于相鄰墻肢的屈服，確保墻肢的安全。最后，要避免連梁出現(xiàn)剪切破壞，剪力墻破壞后，與之相連的剪力墻將會因連梁的破壞，成為一片一片的獨立墻肢，使結(jié)構(gòu)失去整體性。剪力墻連梁的設(shè)計主要是通過對彎矩進(jìn)行折減，減小其配筋，從而人為使其首先出現(xiàn)塑性鉸。

4 剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點

4.1 穩(wěn)定性好

剪力墻結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中具有突出的穩(wěn)定性優(yōu)勢。目前，隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，建筑數(shù)量也呈現(xiàn)大幅增長的趨勢。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為了盡可能節(jié)約土地資源，建筑高度也呈現(xiàn)快速增長趨勢。高層建筑及地震高烈度地區(qū)對建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提出了更高的要求。目前的情況來看，剪力墻結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)中的合理應(yīng)用可以有效提高整個建筑的穩(wěn)定性，從而更好地保障人的安全。

4.2 安全性高

長期以來，安全一直是至關(guān)重要的因素，也是生產(chǎn)與活動的前提和基礎(chǔ)，一切活動都必須充分考慮安全因素的影響。因此，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，也需要充分考慮建筑設(shè)計的安全性。當(dāng)建筑具有一定的安全儲備，就會減少自然災(zāi)害對建筑的損害。合理設(shè)置剪力墻可以有效提高整個建筑的安全性。在安全意識日益增強(qiáng)的背景下，更有必要提高安全性能意識。在當(dāng)前對建筑結(jié)構(gòu)研究比較完善的情況下，不應(yīng)太過追求建筑的造型要求，從而降低結(jié)構(gòu)的安全性。

4.3 良好的抗震性能

近年來，隨著傳媒越來越發(fā)達(dá)，對地震的報道越來越多，人們對地震的關(guān)注度也有了顯著提高。地震具有明顯的不可控性、不可預(yù)測性和破壞性。如果發(fā)生地震災(zāi)害，沒有有效的控制，甚至?xí)霈F(xiàn)地震次生災(zāi)害，對周邊地區(qū)居民的正常生活和生命財產(chǎn)構(gòu)成極大威脅。然而，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，充分利用剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)良抗震性能，加強(qiáng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而有效提高建筑抗震能力。剪力墻結(jié)構(gòu)具有更高的抗震承載力。當(dāng)?shù)卣馂?zāi)害發(fā)生時，可以減少對建筑物的影響，從保證人民生活的穩(wěn)定。

5 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意的問題

5.1 保證其數(shù)量的合理性

根據(jù)相關(guān)調(diào)查研究，在建筑設(shè)計過程中，根據(jù)具體工程項目的不同，設(shè)計了不同類型、不同要求的剪力墻節(jié)點。但并不是剪力墻設(shè)置數(shù)量越多，建筑物的抗震能力就越高。在實際工作中，需要根據(jù)具體項目情況合理確定設(shè)計方案。結(jié)合不同剪力墻結(jié)構(gòu)的不同功能，進(jìn)一步提高建筑的整體性能。

5.2 剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

在建設(shè)過程中，往往會受到一些其他外部因素的影響。因此，設(shè)計人員有必要結(jié)合現(xiàn)場實際情況，與施工現(xiàn)場多溝通，著手設(shè)計更科學(xué)合理的設(shè)計方案。在設(shè)計前、中、后期，設(shè)計人員也應(yīng)對施工現(xiàn)場進(jìn)行多次現(xiàn)場調(diào)研，隨時掌握現(xiàn)場的施工動態(tài)。

6 結(jié)語

在合理利用剪力墻特性的同時，如何保證墻體的質(zhì)量、優(yōu)化剪力墻結(jié)構(gòu)、豐富墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計體系，是現(xiàn)今建筑設(shè)計人員需要研究的問題。設(shè)計人員不僅要學(xué)習(xí)國內(nèi)外最前沿的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和設(shè)計理念，也要從實際實施中總結(jié)經(jīng)驗、吸取教訓(xùn)、多次復(fù)盤，針對建筑項目實際設(shè)計需求、周邊建筑地形情況，靈活調(diào)整設(shè)計方法，保證項目實施。