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

陳 楊 連云港市匠人工程設(shè)計(jì)院有限公司

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的剪力墻設(shè)計(jì)原則

1.1 樓層間最小剪力系數(shù)調(diào)整原則

在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，為強(qiáng)化建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，設(shè)計(jì)師必須嚴(yán)格遵循樓層間最小剪力系數(shù)調(diào)整的設(shè)計(jì)原則，參照GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)范，開展結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算工作。根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，判斷建筑底部結(jié)構(gòu)總剪力是否滿足實(shí)際要求，必要情況下，對各樓層的剪力加以調(diào)整，調(diào)整范圍包括傾覆力矩、位移、內(nèi)力等參數(shù)，樹立全樓調(diào)整的設(shè)計(jì)思路。而調(diào)整樓層間最小剪力系數(shù)的設(shè)計(jì)措施為剪力墻大開間處理和控制剪力墻數(shù)量兩項(xiàng)，通過對剪力墻采取大開間處理措施來提高墻體側(cè)向剛度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制樓層間最小剪力系數(shù)的設(shè)計(jì)目的，或是在保持短肢剪力墻承受建筑結(jié)構(gòu)底部40%或50%以內(nèi)總地震傾覆力矩的條件下變更剪力墻數(shù)量。

1.2 超限調(diào)整原則

在現(xiàn)代建筑工程中，對剪力墻結(jié)構(gòu)的跨高比有著嚴(yán)格要求，如果所設(shè)定跨高比不合理，將以此為誘因?qū)е录袅Ξa(chǎn)生彎矩超限和剪力超限問題，在建筑結(jié)構(gòu)遭受地震能量沖擊容易出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。因此，設(shè)計(jì)師應(yīng)遵循超限調(diào)整設(shè)計(jì)原則，要求剪力墻跨高比不得小于2.5，如果實(shí)際跨高比未達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)，則表明剪力墻結(jié)構(gòu)存在彎矩、剪力超限問題。

同時，正確處理連梁剛度和跨高比二者關(guān)系，在保持連梁剛度值固定不變的條件下，盡可量將連梁跨高比值保持在5.0以內(nèi)。而在連梁跨度比大于5時，設(shè)計(jì)師應(yīng)選取框架梁設(shè)計(jì)方式，禁止采取折減連梁剛度的設(shè)計(jì)措施。

1.3 樓層間最大位移量與樓層高比例調(diào)整原則

在剪力墻結(jié)構(gòu)形式中，采取調(diào)整豎向構(gòu)件數(shù)量的方式來完成建筑剪切變形處理任務(wù)，剪力墻剪重比例和豎向構(gòu)件數(shù)量二者保持緊密內(nèi)在聯(lián)系，如果豎向構(gòu)件數(shù)量設(shè)定不當(dāng)，將由此改變結(jié)構(gòu)剪重比例，致使樓層間出現(xiàn)扭曲變形現(xiàn)象，沒有滿足樓層位移需要，此項(xiàng)設(shè)計(jì)方法缺乏合理性。針對于此，為突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式的局限性，切實(shí)滿足樓層位移需要，減小變量因素對其造成的影響，設(shè)計(jì)師在調(diào)整豎向構(gòu)件數(shù)量與剛度的同時，還應(yīng)結(jié)合工程情況準(zhǔn)確驗(yàn)算建筑樓層間最大位移量以及樓層高二者的最佳比例，與豎向構(gòu)件共同起到控制樓層扭轉(zhuǎn)變形量的作用。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 剪力墻類型選擇

近年來，隨著理論基礎(chǔ)和技術(shù)體系的日趨完善，陸續(xù)出現(xiàn)多種類型剪力墻結(jié)構(gòu)，不同類型剪力墻的結(jié)構(gòu)形式、墻體開洞情況、開洞尺寸和適用范圍存在差異性，設(shè)計(jì)師需要結(jié)合建筑工程建設(shè)要求合理選擇剪力墻類型，明確掌握各類型剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，常見剪力墻類型包括整截面墻、整體小開口墻、壁式框架剪力墻和多肢剪力墻四種。

首先，整截面墻是未在截面墻體上開洞或預(yù)設(shè)洞口尺寸較小的墻體結(jié)構(gòu)，這類剪力墻與豎向懸臂構(gòu)件的受力狀態(tài)較為相似，具有良好承重性能。在墻體高寬比值超過一定標(biāo)準(zhǔn)時，設(shè)計(jì)師需要將受彎變形狀態(tài)下的剪力墻體截面控制在平面狀態(tài)。

其次，整體小開口墻是將洞口按成列狀態(tài)布置，在墻體上開設(shè)適當(dāng)尺寸孔洞的一種結(jié)構(gòu)形式，這類剪力墻法向應(yīng)力保持為偏直線分布狀態(tài)，法向應(yīng)力為墻肢局部彎矩應(yīng)力以及整體彎矩直線分布應(yīng)力的合值。在采取這類剪力墻時，設(shè)計(jì)師正確掌握少數(shù)樓層墻肢部位的反彎點(diǎn)形成規(guī)律，將開洞面積在墻體總面積、墻肢局部彎矩值在總彎矩值的占比均控制在15%以內(nèi)。

再次，壁式框架剪力墻在墻體社預(yù)留較大尺寸孔洞，且具有墻肢寬度小、墻肢連梁剛度差值小特征的一種剪力墻，和框架結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)較為相似，設(shè)計(jì)師應(yīng)掌握反彎點(diǎn)形成規(guī)律和法向應(yīng)力分布狀態(tài)，判斷是否存在局部彎矩現(xiàn)象。

最后，聯(lián)肢墻是在墻體上成列分布洞口，且洞口面積尺寸相對較大的一種剪力墻，墻體結(jié)構(gòu)由連梁部件以及一定數(shù)量的單肢剪力墻組成，根據(jù)洞口列數(shù)分為雙肢墻和多肢墻兩種，這類墻體具有墻肢單獨(dú)作用顯著、連梁中心點(diǎn)分布反彎點(diǎn)、連梁剛度小的結(jié)構(gòu)特征。

2.2 剪力墻數(shù)量設(shè)定

在設(shè)定剪力墻數(shù)量時，設(shè)計(jì)師應(yīng)從承載力要求、抗側(cè)剛度、所承受傾覆力矩等角度進(jìn)行綜合分析，結(jié)合建筑工程設(shè)計(jì)要求與建設(shè)條件來計(jì)算剪力墻最佳數(shù)量。例如，在一般施工條件下，要求所設(shè)置底層剪力墻實(shí)際承受的傾覆力矩在結(jié)構(gòu)總傾覆力矩的50%以內(nèi)。同時，在建筑工程采取框剪結(jié)構(gòu)形式時，開展靜力彈塑性以及動力時程分析作業(yè)，判斷在設(shè)定不同數(shù)量剪力墻時的基底剪力系數(shù)，繪制配套的延性曲線，導(dǎo)入經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù)公式計(jì)算結(jié)果來設(shè)定剪力墻數(shù)量。

也可選擇依據(jù)樓面面積、場地條件、框架柱截面積、底層結(jié)構(gòu)截面積等已知參數(shù)來直接估算剪力墻數(shù)量和面積。例如，在某建筑工程中，在7°Ⅱ類場地和8°Ⅲ類場地條件下，剪力墻截面面積與樓面面積比值分別為2%～3%和3%～4%，底層結(jié)構(gòu)剪力墻以及框架柱截面積的合值與樓面面積比值分別為3%～5%與4%～6%。

2.3 剪力墻結(jié)構(gòu)平面布置設(shè)計(jì)

在剪力墻平面布置設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，為強(qiáng)化建筑結(jié)構(gòu)抗震性能，充分發(fā)揮剪力墻承受水平與豎向荷載的性能作用，需要遵循均勻?qū)ΨQ布置、自上至下連續(xù)布置、連梁墻肢上下對齊成列布置等設(shè)計(jì)原則。

首先，將剪力墻沿建筑主軸方向保持雙向?qū)ΨQ狀態(tài)進(jìn)行布置，以此來形成具有良好抗側(cè)力剛度和豎向荷載承載性能的平面布局。

其次，為避免出現(xiàn)側(cè)向剛度過大和剛度突變問題，需要將墻體從上到下沿主軸方向連續(xù)性布置。同時要求墻體底部加強(qiáng)處洞口保持為上下對齊狀態(tài)，重點(diǎn)檢查平面布置方案中是否存在錯洞問題，且墻肢混凝土強(qiáng)度等級與厚度值與墻體高度保持反比關(guān)系，墻體高度越大，則混凝土強(qiáng)度等級越低，墻體厚度越小。

再次，需要在建筑結(jié)構(gòu)中上下對齊布置墻體門窗洞口，如果洞口排列不規(guī)整，將無法形成明確墻肢連梁。

最后，禁止在結(jié)構(gòu)端部以及凹角等特殊位置處設(shè)置電梯間和樓梯間，避免在剪力墻結(jié)構(gòu)中形成縮徑現(xiàn)象，起到控制扭矩效應(yīng)的設(shè)計(jì)作用。在結(jié)構(gòu)平面外剛度與外承載力低于一定標(biāo)準(zhǔn)時，設(shè)計(jì)師應(yīng)在樓面梁軸線方向中設(shè)置一定數(shù)量的剪力墻，對剪力墻和梁連接部位采取加設(shè)暗柱、加設(shè)型鋼、加設(shè)伏壁柱等設(shè)計(jì)措施。

2.4 剪力墻厚度設(shè)計(jì)

在剪力墻厚度設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，結(jié)合工程情況，根據(jù)抗震等級與建筑層高來確定剪力墻厚度的標(biāo)準(zhǔn)范圍，在GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》等規(guī)范文件中規(guī)定，在建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到I、II級抗震等級時，要求剪力墻體厚度值不得小于160mm 或少于建筑層高1/20，剪力墻底部加強(qiáng)部位的墻體厚度不得超過200mm，厚度值應(yīng)大于建筑層高的1/16。而在建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到Ⅲ、Ⅳ級抗震等級時，要求剪力墻厚度不得小于140mm和少于建筑層高1/25，如果剪力墻厚度未得到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，將會削弱建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。

在特殊工程條件下，設(shè)計(jì)師需要采取概念設(shè)計(jì)分析法，綜合分析墻體截面條件、建筑所處區(qū)域地震烈度、橫墻朝外端頭設(shè)計(jì)要求、是否設(shè)置外縱墻等因素，開展剪力墻穩(wěn)定性以及強(qiáng)度驗(yàn)算工作，確定最佳的墻肢軸壓比值，采取增設(shè)加強(qiáng)暗柱以及調(diào)整配筋率的設(shè)計(jì)措施，在取得良好剪力墻結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)效果的前提下，放寬剪力墻厚度設(shè)計(jì)要求，適當(dāng)減小剪力墻體厚度。

2.5 墻肢長度設(shè)計(jì)

在剪力墻肢長度設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，墻肢長度合理與否，直接影響到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能以及外觀造型結(jié)構(gòu)是否協(xié)調(diào)，占據(jù)著重要的設(shè)計(jì)地位。參照我國同類建筑工程的設(shè)計(jì)方案與施工案例來看，在一般條件下，在結(jié)構(gòu)中優(yōu)先設(shè)置均勻長墻段，將墻肢長度保持在8m 內(nèi)，如果墻肢長度超過這一標(biāo)準(zhǔn)，容易由此引發(fā)配筋拉斷、形成受彎裂縫等質(zhì)量通病。同時嚴(yán)格控制短肢墻數(shù)量和所占比例，必要情況下可選擇設(shè)置短肢剪力墻，但會在部分樓層中形成大量的反彎點(diǎn)，且這類剪力墻的抗震性能較差，因此禁止采取全部為短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)形式。

2.6 連梁設(shè)計(jì)

在建筑剪力墻結(jié)構(gòu)中，連梁為連結(jié)墻肢的梁體。根據(jù)實(shí)際施工情況來看，受到水平負(fù)荷因素影響，墻肢處于彎曲狀態(tài)，致使連梁在端部形成轉(zhuǎn)角，從而改變連梁內(nèi)部受力狀態(tài)，影響到建筑結(jié)構(gòu)整體性能。針對于此，在連梁設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)師需要重視這一問題，采取折減連梁剛度、調(diào)整剪力墻體厚度、增加洞口寬度等設(shè)計(jì)措施。以折減連梁剛度措施為例，考慮到連梁內(nèi)部受力狀態(tài)受到跨高比、水平力、墻肢剛度等因素影響，易在屈服狀態(tài)下形成梁端裂縫，而通過折減連梁剛度，可以起到改善連梁承受豎向荷載性能的作用，進(jìn)而預(yù)防梁端裂縫的形成。

2.7 基于綠色建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為積極響應(yīng)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略號召，推動我國建筑業(yè)的健康發(fā)展，綠色建筑理念得到廣泛應(yīng)用，在多數(shù)現(xiàn)代建筑工程中，均樹立起建筑結(jié)構(gòu)節(jié)能減排設(shè)計(jì)理念，通過調(diào)整剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化周期比、頂點(diǎn)位移、層間剪力、剛重比等設(shè)計(jì)參數(shù)，起到減少建筑結(jié)構(gòu)體系碳排放量和節(jié)能環(huán)保的作用。因此，在設(shè)計(jì)階段，需要基于綠色建筑開展剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，主要優(yōu)化設(shè)計(jì)途徑包括保留剛度變化處剪力墻、增加結(jié)構(gòu)邊緣帶翼緣剪力墻翼緣長度、設(shè)計(jì)工字形或T字形剪力墻墻肢、減小剪力墻體厚度與結(jié)構(gòu)剛度、提高墻肢軸壓比超限部位的混凝土鋼筋材料強(qiáng)度。

3 結(jié)束語

綜上所述，為全面提升建筑工程的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益與環(huán)境效益，實(shí)現(xiàn)工程預(yù)期建設(shè)目標(biāo)，使得剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)更好的應(yīng)用于工程實(shí)踐。因此，設(shè)計(jì)人員對剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用開展深層次研究工作，明確設(shè)計(jì)原則，掌握全部的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，推動剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系的優(yōu)化創(chuàng)新。