建筑結(jié)構(gòu)設計中剪力墻結(jié)構(gòu)設計的應用

陳 楊 連云港市匠人工程設計院有限公司

1 建筑結(jié)構(gòu)設計中的剪力墻設計原則

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)設計階段，為強化建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，設計師必須嚴格遵循樓層間最小剪力系數(shù)調(diào)整的設計原則，參照GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》規(guī)范，開展結(jié)構(gòu)抗震驗算工作。根據(jù)驗算結(jié)果，判斷建筑底部結(jié)構(gòu)總剪力是否滿足實際要求，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)整的設計思路。而調(diào)整樓層間最小剪力系數(shù)的設計措施為剪力墻大開間處理和控制剪力墻數(shù)量兩項，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，進而實現(xiàn)控制樓層間最小剪力系數(shù)的設計目的，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)的跨高比有著嚴格要求，如果所設定跨高比不合理，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，設計師應遵循超限調(diào)整設計原則，要求剪力墻跨高比不得小于2.5，如果實際跨高比未達到這一標準，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，設計師應選取框架梁設計方式，禁止采取折減連梁剛度的設計措施。

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，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)量設定不當，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，此項設計方法缺乏合理性。針對于此，為突破傳統(tǒng)設計方式的局限性，切實滿足樓層位移需要，減小變量因素對其造成的影響，設計師在調(diào)整豎向構(gòu)件數(shù)量與剛度的同時，還應結(jié)合工程情況準確驗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)設計中的剪力墻結(jié)構(gòu)設計要點

2.1 剪力墻類型選擇

近年來，隨著理論基礎和技術(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，設計師需要結(jié)合建筑工程建設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)的設計要點，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設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準時，設計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，在墻體上開設適當尺寸孔洞的一種結(jié)構(gòu)形式，這類剪力墻法向應力保持為偏直線分布狀態(tài)，法向應力為墻肢局部彎矩應力以及整體彎矩直線分布應力的合值。在采取這類剪力墻時，設計師正確掌握少數(shù)樓層墻肢部位的反彎點形成規(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，設計師應掌握反彎點形成規(guī)律和法向應力分布狀態(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作用顯著、連梁中心點分布反彎點、連梁剛度小的結(jié)構(gòu)特征。

2.2 剪力墻數(shù)量設定

在設定剪力墻數(shù)量時，設計師應從承載力要求、抗側(cè)剛度、所承受傾覆力矩等角度進行綜合分析，結(jié)合建筑工程設計要求與建設條件來計算剪力墻最佳數(shù)量。例如，在一般施工條件下，要求所設置底層剪力墻實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，導入經(jīng)驗公式，根據(jù)公式計算結(jié)果來設定剪力墻數(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)平面布置設計

在剪力墻平面布置設計環(huán)節(jié)，為強化建筑結(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計原則。

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處洞口保持為上下對齊狀態(tài)，重點檢查平面布置方案中是否存在錯洞問題，且墻肢混凝土強度等級與厚度值與墻體高度保持反比關系，墻體高度越大，則混凝土強度等級越低，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，起到控制扭矩效應的設計作用。在結(jié)構(gòu)平面外剛度與外承載力低于一定標準時，設計師應在樓面梁軸線方向中設置一定數(shù)量的剪力墻，對剪力墻和梁連接部位采取加設暗柱、加設型鋼、加設伏壁柱等設計措施。

2.4 剪力墻厚度設計

在剪力墻厚度設計環(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準范圍，在GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》等規(guī)范文件中規(guī)定，在建筑結(jié)構(gòu)達到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，剪力墻底部加強部位的墻體厚度不得超過200mm，厚度值應大于建筑層高的1/16。而在建筑結(jié)構(gòu)達到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)范標準，將會削弱建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。

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

2.5 墻肢長度設計

在剪力墻肢長度設計環(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)著重要的設計地位。參照我國同類建筑工程的設計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準，容易由此引發(fā)配筋拉斷、形成受彎裂縫等質(zhì)量通病。同時嚴格控制短肢墻數(shù)量和所占比例，必要情況下可選擇設置短肢剪力墻，但會在部分樓層中形成大量的反彎點，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 連梁設計

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)實際施工情況來看，受到水平負荷因素影響，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，在連梁設計環(huán)節(jié)，設計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、增加洞口寬度等設計措施。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，進而預防梁端裂縫的形成。

2.7 基于綠色建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

為積極響應可持續(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)能減排設計理念，通過調(diào)整剪力墻結(jié)構(gòu)設計方案，優(yōu)化周期比、頂點位移、層間剪力、剛重比等設計參數(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，在設計階段，需要基于綠色建筑開展剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計工作，主要優(yōu)化設計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、設計工字形或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度。

3 結(jié)束語

綜上所述，為全面提升建筑工程的經(jīng)濟效益、社會效益與環(huán)境效益，實現(xiàn)工程預期建設目標，使得剪力墻結(jié)構(gòu)設計技術(shù)更好的應用于工程實踐。因此，設計人員對剪力墻結(jié)構(gòu)設計在建筑結(jié)構(gòu)設計領域中的應用開展深層次研究工作，明確設計原則，掌握全部的設計要點，推動剪力墻結(jié)構(gòu)設計體系的優(yōu)化創(chuàng)新。