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

馬 麗

甘肅省工業(yè)與民用建筑設(shè)計(jì)院有限公司

1 引言

剪力墻結(jié)構(gòu)作為目前建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中較常使用的形式，具有抗側(cè)剛度大、抗震性好等特征，尤其是對(duì)于現(xiàn)階段的高層建筑來(lái)說(shuō)，剪力墻結(jié)構(gòu)的運(yùn)用能夠確保建筑的穩(wěn)定性和安全性，提高建筑的實(shí)用價(jià)值。本文就重點(diǎn)對(duì)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)用加以說(shuō)明，希望可改善建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，豐富建筑實(shí)用性能。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)的基本概念及優(yōu)勢(shì)

2.1 概念

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的剪力墻結(jié)構(gòu)是用鋼筋混凝土墻板來(lái)代替框架結(jié)構(gòu)中的梁柱，承受著豎向壓力和其平面作用下的水平剪力的雙重力量。剪力墻的寬度和高度較大，但厚度相對(duì)較小，這使得剪力墻具備幾何特性以及不同于其他結(jié)構(gòu)的受力特征。由于剪力墻厚度較小，相當(dāng)于板的厚度，所以如果單獨(dú)使用，在地震災(zāi)害下，很容易因剛度不足引起結(jié)構(gòu)變形、斷裂等問(wèn)題。所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中，除要考慮增大剪力墻剛度外，還需對(duì)彈性變形能力和抗震性進(jìn)行綜合分析，合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)種類和規(guī)模，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性。通常情況下，剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以延性彎曲型為主。

2.2 優(yōu)勢(shì)

建筑工程設(shè)計(jì)中，采用剪力墻結(jié)構(gòu)具有十分顯著的優(yōu)勢(shì)。首先，剪力墻結(jié)構(gòu)具有很好的承載能力，而且有很好的整體性和空間作用，比框架結(jié)構(gòu)具有更好地抗側(cè)能力，因此，剪力墻結(jié)構(gòu)可建造較高的建筑物。其次，剪力墻墻體布置無(wú)凸出，剪力墻結(jié)構(gòu)的樓蓋一般采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，樓板周邊不設(shè)明梁，所以空間利用比較好，可節(jié)約層高。最后，剪力墻的抗震性能好，用鋼量小，可大量的適用于開(kāi)間較小的住宅、公寓、旅館項(xiàng)目。

2.3 優(yōu)勢(shì)

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，剪力墻的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)可概括為以下幾點(diǎn)：一是承載能力好，能夠確保結(jié)構(gòu)空間的完整性。相比于框架結(jié)構(gòu)，剪力墻還具有較好的抗側(cè)性，可保證高層建筑的質(zhì)量和安全。二是剪力墻結(jié)構(gòu)的樓蓋多以現(xiàn)澆混凝土鋼筋為主，周邊不會(huì)設(shè)計(jì)明梁，結(jié)構(gòu)完整性得以保障，避免過(guò)于突兀。三是降低鋼材應(yīng)用量，優(yōu)化建筑抗震性能，在一些商業(yè)建筑中也得到了廣泛應(yīng)用。下面為剪力墻結(jié)構(gòu)實(shí)例圖。

圖1 剪力墻結(jié)構(gòu)

3 建筑設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用策略

建筑設(shè)計(jì)中剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中需全方位考慮工程設(shè)計(jì)和建設(shè)的基本要求。為此，設(shè)計(jì)人員務(wù)必做好細(xì)節(jié)的把控和處理，如剪力墻的合理布置、剪力墻墻肢長(zhǎng)度的確定、厚度確定，連續(xù)梁類型、配筋及邊緣構(gòu)件設(shè)計(jì)等。下面將作具體論述。

3.1 剪力墻的規(guī)劃布置

在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要參照空間特點(diǎn)展開(kāi)合理布局，一般情況下，如果是高層建筑，會(huì)采用雙向剪力墻結(jié)構(gòu)，確保兩側(cè)剪力墻剛度的均衡性，減少水平位移的產(chǎn)生，避免剪力墻在外界荷載作用下出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。剪力墻的水平地震作用力較大，自振周期短，結(jié)構(gòu)本身穩(wěn)定性很容易受到影響。所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需考慮到力的平衡，可通過(guò)減小剪力墻厚度，或者增加剪力墻之間的間距，來(lái)降低水平地震作用力帶來(lái)的影響，防止位移、斷裂等問(wèn)題的出現(xiàn)。同時(shí)上述操作也能夠降低剪力墻自重，削弱建筑結(jié)構(gòu)承擔(dān)荷載。如果剪力墻設(shè)計(jì)中存在較大洞口，洞口位置要保證在一條線上。考慮到墻體結(jié)構(gòu)受力情況，應(yīng)展開(kāi)應(yīng)力的科學(xué)劃分，確保兩者均衡性、對(duì)稱性。底部結(jié)構(gòu)如果設(shè)置框架支撐層，落地剪力墻的數(shù)量要在上部剪力墻數(shù)量的一半以上。剪力墻設(shè)計(jì)中，需充分考慮抗震性能要求，避免樓板平面等結(jié)構(gòu)因變形發(fā)生危險(xiǎn)。

3.2 確定剪力墻墻肢長(zhǎng)度

確定剪力墻墻肢長(zhǎng)度時(shí)，首先應(yīng)考慮滿足建筑功能的要求，其次是剪力墻墻肢長(zhǎng)度不能太長(zhǎng)也不能太短，確定原則是，盡可能布置長(zhǎng)墻，少布置短墻。當(dāng)墻肢長(zhǎng)度很長(zhǎng)時(shí)，受彎后產(chǎn)生的裂縫寬度會(huì)較大，墻體的配筋容易拉斷，因此墻段的長(zhǎng)度不應(yīng)過(guò)大，墻肢長(zhǎng)度宜控制在8m以內(nèi)；當(dāng)墻肢長(zhǎng)度很短時(shí)，可能形成短肢剪力墻，短支剪力墻的出現(xiàn)可能會(huì)導(dǎo)致多樓層出現(xiàn)反彎點(diǎn)，受力發(fā)生改變，逐漸接近異形柱的狀態(tài)，抗震性能較差。所以為保障建筑的安全性，不會(huì)將其應(yīng)用在地震區(qū)域內(nèi)，且不得采用全短肢的剪力墻的結(jié)構(gòu)。

3.3 確定剪力墻結(jié)構(gòu)的厚度

按照現(xiàn)有規(guī)范要求可知，在抗震等級(jí)在一二級(jí)時(shí)，底部加強(qiáng)部位的剪力墻厚度要控制在200mm以上，長(zhǎng)度要求在層高或無(wú)支長(zhǎng)度的十六分之一，當(dāng)抗震等級(jí)為三、四級(jí)時(shí)墻厚不應(yīng)小于160，且不宜小于層高或無(wú)支長(zhǎng)度的1/20。其他部位的剪力墻厚度，當(dāng)抗震等級(jí)為一、二級(jí)時(shí)墻厚不應(yīng)小于160mm，且不宜小于層高或無(wú)支長(zhǎng)度的1/20，當(dāng)抗震等級(jí)為三、四級(jí)時(shí)墻厚應(yīng)在140mm以上，長(zhǎng)度在層高或無(wú)支長(zhǎng)度的二十五分之一。之所以這樣規(guī)定，是為避免因剪力墻厚度過(guò)小，剛度不足，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性減弱，產(chǎn)生壓屈失穩(wěn)情況。

不過(guò)這一規(guī)范也存在特例，對(duì)于八級(jí)地震區(qū)的多層或地層剪力墻結(jié)構(gòu)建筑來(lái)說(shuō)，上述規(guī)定可能會(huì)存在較大偏差。如10層以下的剪力墻結(jié)構(gòu)，在重力荷載作用下，墻肢壓軸相對(duì)較低，墻柱結(jié)構(gòu)只能進(jìn)行構(gòu)造配筋，但為保證底部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，按照層高要求，剪力墻厚度一般設(shè)定在240mm，已經(jīng)超出規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要。所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要在規(guī)定基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際情況加以綜合分析，以確保剪力墻厚度設(shè)計(jì)的合理性。

3.4 剪力墻連續(xù)梁方案

連續(xù)梁指的是剪力墻中連接墻肢結(jié)構(gòu)的梁，具有跨高比小、連接墻肢剛度大等特點(diǎn)。連續(xù)梁除起到連接作用外，還具有較為明顯的支撐作用，能夠有效抵抗地震荷載、風(fēng)荷載帶來(lái)的影響，一旦連續(xù)梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問(wèn)題，建筑結(jié)構(gòu)也將受到較大影響。所以在設(shè)計(jì)中需結(jié)合實(shí)際情況，合理設(shè)計(jì)連續(xù)梁施工方案，增大其剛度，保障結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在工程實(shí)際設(shè)計(jì)中，剪力墻連續(xù)梁的設(shè)計(jì)宜按“強(qiáng)墻肢弱連續(xù)梁”原則進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，為了提高連續(xù)梁的延性，通常情況是對(duì)于跨高比較小的連續(xù)梁內(nèi)宜設(shè)置交叉斜筋，交叉斜筋的走向與主拉應(yīng)力的走向一致，目的是抵抗彎剪作用下主拉應(yīng)力的變化，從而控制應(yīng)力變化產(chǎn)生的裂縫問(wèn)題。另外，交叉斜筋的延性、耗能和抗震性能，相較于傳統(tǒng)配筋連續(xù)梁具有更大優(yōu)勢(shì)，在提高剪力墻結(jié)構(gòu)質(zhì)量，增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)整體性和穩(wěn)定性上起到了顯著作用。

3.5 剪力墻墻體配筋的合理設(shè)置

在剪力墻結(jié)構(gòu)中鋼筋使用量較大，因此合理配置剪力墻鋼筋是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該考慮的重要問(wèn)題之一，通常情況下，墻體配筋是根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算得來(lái)的，但部分墻配筋是按照規(guī)范規(guī)定確定的，在剪力墻墻身配筋過(guò)程中建議在滿足結(jié)構(gòu)計(jì)算的前提下，將墻體的水平、豎向分布鋼筋分別按墻體的外側(cè)、內(nèi)側(cè)進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，這樣既滿足墻體承載力的要求，又能降低鋼材的用量，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約鋼筋材料的目的。

3.6 合理確定剪力墻結(jié)構(gòu)邊緣構(gòu)件

剪力墻布置完成后合理確定剪力墻邊緣構(gòu)件顯得尤為重要。設(shè)置剪力墻邊緣構(gòu)件目的是為了增加墻體的延性，增大耗能能力，從而進(jìn)一步降低其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震需求。剪力墻邊緣構(gòu)件一般指的是剪力墻中的暗柱或者端柱，暗柱一般位于墻肢平面的端部、轉(zhuǎn)角以及剪力墻開(kāi)較大洞口后洞口兩邊位置。在剪力墻中設(shè)置邊緣構(gòu)件，既可提高墻體的承載力，又能提高墻體的延性。

圖2

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，與房屋建筑結(jié)構(gòu)整體的安全性和穩(wěn)定性具有直接關(guān)聯(lián)。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員為了能夠提升設(shè)計(jì)的安全性與科學(xué)性，在充分應(yīng)用剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在保證設(shè)計(jì)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，充分考慮人們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出的實(shí)際需求，進(jìn)而為人們?cè)O(shè)計(jì)出更加舒適、美觀的建筑空間。