剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

程江勇

關(guān)鍵字：剪力墻結(jié)構(gòu)；建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；應(yīng)用

以高層或超高層建筑為代表的現(xiàn)代建筑在利用城市上下垂直立體空間、緩解城市土地利用壓力、滿足城市居民的工作與生活需求方面發(fā)揮著重要作用，是城市建設(shè)、尤其是特大型或大型城市建設(shè)中必不可少的建筑類型?，F(xiàn)代建筑普遍具有體型大、功能多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形式多樣等特點(diǎn)，對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的抗震性能、安全性能、穩(wěn)定性能要求較高，建筑內(nèi)各結(jié)構(gòu)的有機(jī)銜接與高度適配可以切實(shí)提高超高層建筑的施工質(zhì)量與建筑安全性[1]。

剪力墻結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)類型，其利用鋼筋混凝土取代傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)中的梁柱，依托鋼筋混凝土板與混凝土墻面實(shí)現(xiàn)用力傳遞。在建筑遭受地震縱橫波或強(qiáng)勁風(fēng)力侵襲時(shí)，剪力墻可有效負(fù)荷各種負(fù)載造成的內(nèi)力，提高建筑的整體安全性。因此，現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)精準(zhǔn)掌握剪力墻結(jié)構(gòu)的分類與適用條件，科學(xué)沿用剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則，并合理、有效地將剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，切實(shí)降低建筑結(jié)構(gòu)施工成本，提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。

1 剪力墻的作用與分類

1.1 剪力墻的作用

剪力墻，又稱為抗震墻、抗風(fēng)墻，顧名思義其在應(yīng)對地震或強(qiáng)風(fēng)侵襲時(shí)具有良好的力學(xué)荷載性能。剪力墻通過鋼筋與混凝土將墻體與樓板緊密整合形成完整且堅(jiān)固的受力整體，并通過鋼筋混凝土板與混凝土墻之間的用力傳遞有效負(fù)荷各類地震或強(qiáng)風(fēng)給建筑物帶來的水平方向與垂直方向的負(fù)載，提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性[2]。

傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)中梁與柱的分離導(dǎo)致墻體頂面與框架梁底存在縫隙，影響框架結(jié)構(gòu)的整體性，使得框架結(jié)構(gòu)無法傳遞上部荷載，影響建筑結(jié)構(gòu)的載荷能力與安全性能。剪力墻結(jié)構(gòu)則是利用鋼筋混凝土將墻體與樓板整體澆筑，從而具備了框架結(jié)構(gòu)所缺失的整體簡潔性、空間作用與抗側(cè)力能力。在抗側(cè)力方面，剪力墻通過墻體與樓板之間的用力傳遞提高建筑物對水平方向壓力與豎直方向重力的負(fù)載能力，以良好的側(cè)向剛度減少強(qiáng)風(fēng)或地震條件下建筑物的水平側(cè)移或傾斜。但剪力墻結(jié)構(gòu)也存在一定的局限性或不足，例如，剪力墻結(jié)構(gòu)的空間布置限制條件或要求較高，空間分配與使用存在諸多制約因素。同時(shí)，由于墻體與樓板的整體性澆筑使剪力墻結(jié)構(gòu)的重量較大，影響了建筑結(jié)構(gòu)的靈活性。

1.2 剪力墻的分類

相較于框架結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)因其良好的抗震性能與安全性能可廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工中。剪力墻類型眾多，常規(guī)的可根據(jù)其開洞面積大小分為實(shí)體墻、小開口整體墻、連肢剪力墻、壁式框架剪力墻等。

實(shí)體墻是指剪力墻中未開設(shè)門窗洞口或所開設(shè)的門窗洞口面積較?。ㄐ∮诩袅φw面積的15%）的類型，實(shí)體墻中門窗洞口的開設(shè)幾乎可以忽略，使墻體形成一個(gè)有機(jī)的整體[3]。小開口整體墻是指剪力墻中有一定數(shù)量或面積的開口（門窗洞口面積小于剪力墻整體面積的15%），其門窗洞口的位置、大小等均有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)，與實(shí)體墻不同之處在于，小開口整體墻在受力作用下易出現(xiàn)局部彎矩。連肢剪力墻是指剪力墻中門窗洞口開設(shè)數(shù)量較多、面積較大的類型，其可視為小開口整體墻在整個(gè)剪力墻面上的排列組合，使洞口在剪力墻墻體上均勻、列狀分布，受力均衡性使連肢剪力墻在受力作用下不易出現(xiàn)局部彎矩[4]。壁式框架剪力墻是指剪力墻中門窗洞口開設(shè)尺寸很大的類型，壁式框架剪力墻以墻肢作為核心建筑結(jié)構(gòu)的支撐要素，其受力特征類似于框架結(jié)構(gòu)，如在水平作用力下，壁式框架剪力墻會(huì)出現(xiàn)剪切型的側(cè)向彎曲變形。

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)建筑設(shè)計(jì)目標(biāo)合理設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，選擇適宜的剪力墻類型，科學(xué)測算剪力墻結(jié)構(gòu)的尺寸、軸壓比、最小剪力系數(shù)等，以提高剪力墻的設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則

剪力墻結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成包括墻肢與連梁，通過對墻肢與連梁的整體性澆筑，提高剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度、抗震性與穩(wěn)定性。剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對空間布置的要求較高，應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場空間布局以及設(shè)計(jì)要求合理選擇剪力墻類型，確保剪力墻的幾何效果與使用效果得以兼?zhèn)洹?/p>

2.1 科學(xué)設(shè)計(jì)墻體受力

剪力墻結(jié)構(gòu)依托鋼筋混凝土板與混凝土墻面實(shí)現(xiàn)用力傳遞，是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要支撐性構(gòu)件。在設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，需對墻體受力情況進(jìn)行科學(xué)、精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)與測算，充分考慮剪力墻在強(qiáng)風(fēng)、地震縱橫波等外力作用下的負(fù)載情況，綜合剪力墻所承受的水平壓力、豎直重力以及彎矩剪力分析剪力墻的具體受力特征。同時(shí)，剪力墻的受力設(shè)計(jì)應(yīng)通過剪力墻模擬量化分析其在反復(fù)循環(huán)過程中墻體的延展性，通過良好的墻體延展性提高剪力墻的抗震性能?；诖?，應(yīng)合理設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)的尺寸、軸壓比等重要參數(shù)，并選用適宜的鋼筋與混凝土材料，切實(shí)保證剪力墻的剛度以及在外力作用下的穩(wěn)定性與安全性[5]。

2.2 關(guān)注平面內(nèi)搭接

剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的空間布局限制性對剪力墻的幾何效果與幾何特征提出了較高的要求，位于同一平面的剪力墻結(jié)構(gòu)所承受的外力荷載更大，因此在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮同一平面中剪力墻的剛度要求，以切實(shí)提高平面中剪力墻的負(fù)載能力。鑒于平面之外的墻體、梁等承載力要求不高，在剪力墻與上述構(gòu)件連接時(shí)，需要關(guān)注平面內(nèi)剪力墻與其他構(gòu)件的搭接，以符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的剪力墻剛度確保平面內(nèi)搭接的穩(wěn)定性與堅(jiān)固性，切實(shí)提高剪力墻結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能以及建筑物的安全性能，以免因搭接應(yīng)力保護(hù)不到位而出現(xiàn)建筑安全事故。

2.3 調(diào)整最小剪力系數(shù)

剪力墻結(jié)構(gòu)雖然可以提高建筑的穩(wěn)固性與抗震性，提高建筑的使用安全性，但剪力墻采用鋼筋混凝土澆筑而成，其自重較大，使建筑物的重量也相應(yīng)增加。在設(shè)計(jì)與使用剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)全面統(tǒng)籌、綜合權(quán)衡、科學(xué)設(shè)計(jì)。例如，在墻體受力設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮水平壓力與剪力以及剪力墻的豎直重力，以便剪力墻建立良好的應(yīng)力作用。剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注重對最小剪力系數(shù)的調(diào)整與優(yōu)化，從建筑物自身重量以及建筑物抗震性能兩個(gè)方面確定最小剪力系數(shù)，以有限的剪力墻數(shù)量提高剪力墻的側(cè)向剛度。同時(shí)合理減輕建筑物的自重，減少鋼筋混凝土等施工材料的使用，降低剪力墻結(jié)構(gòu)施工成本[6]。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 定位剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要構(gòu)成，考慮到剪力墻結(jié)構(gòu)的幾何特征、受力特征等對空間布局的限制，需科學(xué)、合理地根據(jù)建筑現(xiàn)場空間布局定位剪力墻結(jié)構(gòu)。

首先，按照剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單與方便的原則，對剪力墻的平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置與設(shè)計(jì)，通過模擬與測算分析剪力墻的質(zhì)量中心與剛度中心，并根據(jù)上述中心的定位分析出剪力墻的結(jié)構(gòu)與實(shí)際性能，確保同一平面上的剪力墻具有較高的剛度與穩(wěn)固性能，提高同一平面中剪力墻的載荷能力。

其次，根據(jù)建筑所在地的地形地貌、地質(zhì)條件、氣候條件等自然環(huán)境因素合理設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)所受外力，充分了解建筑荷載并調(diào)整剪力墻的最小剪力系數(shù)。如果剪力墻的平面結(jié)構(gòu)不規(guī)則，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中合理設(shè)置溫度伸縮縫，增強(qiáng)剪力墻的抗扭效果。

最后，考慮到墻體本身的自重以及地震縱波等對外力因素的影響，應(yīng)對剪力墻的垂直受力構(gòu)件進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，可在剪力墻轉(zhuǎn)換梁上壁與中柱等部位設(shè)置門洞，以免構(gòu)件在轉(zhuǎn)換傳力過程中無法有效傳遞上部荷載以及下部的振動(dòng)波，造成剪力墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性不足。

3.2 大墻肢的處理

剪力墻結(jié)構(gòu)具有一定的延展性，可以通過良好的墻體延展性提高剪力墻的抗震性能，這是剪力墻結(jié)構(gòu)區(qū)別于框架結(jié)構(gòu)與混合結(jié)構(gòu)的重要優(yōu)勢。在剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分發(fā)揮剪力墻結(jié)構(gòu)的延展性優(yōu)勢，對剪力墻的肢體與柱形進(jìn)行模型模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過調(diào)整肢體長度與厚度之間的比值提高剪力墻的剛度與性能。

尤其在城市的高層建筑中，如果肢體長度與厚度的比值設(shè)計(jì)不合理，將會(huì)導(dǎo)致高層建筑在受力作用下出現(xiàn)不同程度的偏移，影響高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。因此，在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)利用模型模擬不同參數(shù)下的剪力墻結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的墻肢承載力，選擇最優(yōu)的剪力墻結(jié)構(gòu)參數(shù)，以提高剪力墻的剛度與性能。同時(shí)，在具體施工時(shí)，也可通過留洞測試對剪力墻的負(fù)載能力進(jìn)行測試，并根據(jù)測試結(jié)果對留洞進(jìn)行適當(dāng)填充，有效處理剪力墻的大墻肢。

3.3 墻體配筋的控制

剪力墻結(jié)構(gòu)利用鋼筋混凝土取代傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)中的梁柱，依托鋼筋混凝土板與混凝土墻面實(shí)現(xiàn)用力傳遞。配筋是剪力墻結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)成，剪力墻的配筋不僅會(huì)影響墻體的承載力、穩(wěn)固性以及建筑的安全性，還會(huì)影響剪力墻的施工成本與經(jīng)濟(jì)效益。因此，在設(shè)計(jì)墻體配筋時(shí)，應(yīng)綜合考量剪力墻的支撐力、剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)固性等性能，科學(xué)設(shè)計(jì)配筋率，盡可能降低剪力墻結(jié)構(gòu)施工的實(shí)際成本，切實(shí)保障剪力墻的穩(wěn)定性與施工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

3.4 邊緣構(gòu)件的確定

邊緣構(gòu)件是剪力墻結(jié)構(gòu)中特有的構(gòu)件，其設(shè)置在剪力墻的邊緣部位，用于改善剪力墻的受力性能，提高剪力墻的穩(wěn)固性。邊緣構(gòu)件主要包括有約束與無約束兩種，無約束邊緣構(gòu)件應(yīng)用到剪力墻結(jié)構(gòu)可以使建筑的承載力更具優(yōu)勢，但剪力墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性與抗震性能卻有所不足。根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析，無約束邊緣構(gòu)件會(huì)導(dǎo)致剪力墻的樓梯間位移角度出現(xiàn)偏差，使得其抗震性能僅為有約束邊緣構(gòu)件的80%，極限承載力僅為有約束邊緣構(gòu)件的60%。因此，在設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)綜合考慮剪力墻的軸壓比大小與等級(jí)，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求確定適宜的邊緣構(gòu)件，有效兼顧建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能與承載力。

3.5 其他注意事項(xiàng)

3.5.1 加強(qiáng)基礎(chǔ)方案設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)方案設(shè)計(jì)是剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用的重要基礎(chǔ)，在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)對施工現(xiàn)場進(jìn)行認(rèn)真、詳細(xì)地勘察，全面掌握施工現(xiàn)場的地質(zhì)環(huán)境、地形地貌、氣候水文等基本自然環(huán)境，可全面且直觀地指導(dǎo)超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，優(yōu)化調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)的空間規(guī)劃，提高剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與科學(xué)性。

3.5.2 完善承重構(gòu)件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)人員需根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對建筑物的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用在建筑中，對支撐構(gòu)件、工藝參數(shù)等進(jìn)行科學(xué)選配與優(yōu)化調(diào)整，確保剪力墻設(shè)計(jì)質(zhì)量。例如，可將建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)應(yīng)用到剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對剪力墻各構(gòu)件進(jìn)行三維建模后，利用結(jié)構(gòu)分析方法檢測各構(gòu)件的空間結(jié)構(gòu)交叉狀況，幫助設(shè)計(jì)人員提前規(guī)避構(gòu)件不匹配問題，實(shí)現(xiàn)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的高質(zhì)量技術(shù)交底。同時(shí)，依托BIM 技術(shù)的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析模型，結(jié)合剪力墻的幾何結(jié)構(gòu)、材料等測算出剪力墻結(jié)構(gòu)的荷載，以便合理利用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，量化測算灌漿量，將預(yù)應(yīng)力筋的伸長值控制在一定閾值范圍內(nèi)。

3.5.3 優(yōu)化剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，剪力墻通常需沿著主軸方向雙向布置，以便剪力墻形成一定的空間結(jié)構(gòu)。針對剪力墻平面與豎直布置過程過于單一、剪力墻剛度不足的問題，應(yīng)科學(xué)設(shè)計(jì)與測算剪力墻的防震性能，通過調(diào)整剪力墻在主軸方向雙向的受力方向剛度，確保剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)具有較大的承載力與抗側(cè)剛度，設(shè)計(jì)人員在豎向布置剪力墻時(shí)，應(yīng)沿著房屋高度進(jìn)行通高布置、上下對齊，確保剪力墻在豎向方向上的剛度得到弱化，避免剪力墻豎向剛度出現(xiàn)突變的情況，滿足現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的剛度與性能要求。

如果建筑設(shè)計(jì)中墻體的長度較長，需在剪力墻中開設(shè)洞口，將剪力墻分割為長度大致相當(dāng)?shù)亩鄠€(gè)墻面，再利用弱梁將分割好的各個(gè)墻面進(jìn)行關(guān)聯(lián)，每個(gè)獨(dú)立墻段的總高度與截面高度應(yīng)按照一定的比例分配，避免因剪力而出現(xiàn)脆性剪切。同時(shí)，在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免形成墻肢，保證剪力墻的剛度與性能。

4 結(jié)語

剪力墻結(jié)構(gòu)在建筑工程中應(yīng)用廣泛。設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)根據(jù)建筑工程的實(shí)際情況，確保剪力墻結(jié)構(gòu)方案既符合設(shè)計(jì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，又能滿足經(jīng)濟(jì)要求，為建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量提供基礎(chǔ)保障。由于剪力墻所用的施工材料為鋼筋混凝土，限制了空間的分配與使用，且設(shè)計(jì)與施工難度較高、材料耗費(fèi)多，因此，剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格遵循相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，在布置過程中依照主軸方向雙向布置，提高剪力墻結(jié)構(gòu)的空間工作性能。同時(shí)，在設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)提高對墻體抗風(fēng)、抗震等各項(xiàng)內(nèi)容的重視程度，確保剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，保證剪力墻的剛度與性能。