建筑工程設(shè)計(jì)中剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法分析

董西文

【摘要】近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的加速發(fā)展，建筑業(yè)也得到了充分發(fā)展，建筑設(shè)計(jì)行業(yè)也步入了高速發(fā)展期，剪力墻結(jié)構(gòu)也已經(jīng)在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了廣泛應(yīng)用。通過剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以讓建筑工程結(jié)構(gòu)得到充分優(yōu)化，提升建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，進(jìn)而保障建筑工程項(xiàng)目的施工質(zhì)量。為此，有必要對剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法充分分析研討。下文將簡要介紹剪力墻結(jié)構(gòu)的相關(guān)概念，明確應(yīng)用優(yōu)勢和應(yīng)用原則，同時(shí)，提出剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見問題及設(shè)計(jì)重點(diǎn)，以促進(jìn)建筑行業(yè)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平提升。

【關(guān)鍵詞】建筑工程;剪力墻結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)方法

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.05.061

引言：

隨著城鄉(xiāng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城鄉(xiāng)居住、工業(yè)、倉儲(chǔ)等用地以及基礎(chǔ)設(shè)施與公共服務(wù)設(shè)施用地不斷增加，土地資源更顯得極為匱乏，十分珍惜與合理利用每一寸土地成為國家戰(zhàn)略要求。高層建筑對于節(jié)約土地具有顯著的作用與效果，使人們對高層建筑工程設(shè)計(jì)、施工、質(zhì)量安全等方面都給予了高度關(guān)注。為此，要求建筑工程企業(yè)不斷提高剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，以促進(jìn)建筑工程施工質(zhì)量和施工安全性提升，讓建筑使用者的使用需求得以切實(shí)滿足。

1、剪力墻結(jié)構(gòu)概述

對于建筑物而言，剪力墻結(jié)構(gòu)是其中的重要表現(xiàn)形式，可以在高層建筑建設(shè)階段表現(xiàn)出十分突出的功能性和價(jià)值優(yōu)勢。剪力墻結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到良好的強(qiáng)風(fēng)沖擊抵抗效果，以充分抵抗地震的功能，因此也被稱之為防風(fēng)墻或抗震墻?，F(xiàn)階段，剪力墻結(jié)構(gòu)已經(jīng)在高層建筑施工過程中得到了充分應(yīng)用。但該結(jié)構(gòu)往往無法同時(shí)適用于所有墻體，這時(shí)就要求充分利用筒體結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行剪力墻設(shè)計(jì)，從而達(dá)到良好的水平切力抵抗效果。針對剪力墻結(jié)構(gòu)實(shí)施抗震設(shè)計(jì)時(shí)，需要明確墻體所能承受的第一振型底部地震傾覆力矩，并進(jìn)行充分管控，使其得以保持在建筑結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩的一半以內(nèi)[1]。

2、剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常見問題

2.1 二十層以下高層剪力墻結(jié)構(gòu)問題

現(xiàn)階段，我國在二十層以下高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中普遍使用現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該施工方式相對傳統(tǒng)。然而，我國墻體配筋往往使用構(gòu)造配筋的形式，其中的墻肢軸壓比計(jì)算數(shù)值均相對較小。由于受到上述因素的影響，在一定程度上影響了原有設(shè)計(jì)墻體的承載力，難以在建設(shè)實(shí)際中得到充分展現(xiàn)。除此之外，采取此類施工技術(shù)時(shí)所需消耗的施工成本也相對較高。

2.2 二十層以上高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)問題

如果高層建筑的高度在二十層以上，在實(shí)際建設(shè)階段往往采取短肢剪力墻體系，其底部剪力系數(shù)往往難以達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，由于未能采取具體的剪力墻結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致建筑物結(jié)構(gòu)中頻繁出現(xiàn)連鎖性問題。

2.3 框支剪力墻結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)中的問題

在建筑物結(jié)構(gòu)及建筑物底部處理過程中所采取的結(jié)構(gòu)類型往往存在一定差異。短肢剪力墻是一種常應(yīng)用于剪力墻上部的結(jié)構(gòu)類型，針對建筑物底部進(jìn)行處理，需要充分利用全落地及框架支撐剪力墻相結(jié)合的結(jié)構(gòu)方式，并將其分配在商業(yè)住宅小區(qū)及商店店鋪中。應(yīng)對自然災(zāi)害時(shí)，可能導(dǎo)致建筑物結(jié)構(gòu)暴露出許多突出問題，也具有一定的脆弱性。剪力墻上下結(jié)構(gòu)剛度普遍存在一定差異，其上部承受能力顯著優(yōu)于下部結(jié)構(gòu)，如果需要面對相同的外部壓力時(shí)，上部結(jié)構(gòu)不會(huì)導(dǎo)致因承受力影響而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形問題，至于下部結(jié)構(gòu)，則可能存在一定的變形風(fēng)險(xiǎn)，即使在水平作用力影響下，也通常難以規(guī)避此類問題[2]。

3、建筑工程剪力墻結(jié)構(gòu)的常用類型及設(shè)計(jì)原則

3.1 建筑剪力墻結(jié)構(gòu)分類

1）整截墻面，可以結(jié)合具體的開洞面積進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)分類，如果墻體未開洞或洞口面積較小，占?jí)w總面積的16%以內(nèi)，則可以定義為整截墻面。墻體截面的受力狀態(tài)與豎直的懸臂梁相似，且其截面位置上的正應(yīng)力呈現(xiàn)較為明顯的直線分布狀態(tài)，如果墻肢的高度方向出現(xiàn)了彎矩，則不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)突變，也不會(huì)引起結(jié)構(gòu)反彎，至于變形曲線，則往往呈現(xiàn)為彎曲型曲線。

2）整體小開口墻，此類墻體的洞口普遍沿豎直方向按列布置，且連梁和墻肢的剛度信息均十分均勻，且其中的洞口面積已經(jīng)超過了墻體總面積的16%。此類墻體是一種小面積開洞墻體，可以依據(jù)結(jié)構(gòu)整體懸臂分析受力性能，同時(shí)，墻肢的局部彎矩和水平荷載力影響下的彎矩則主要通過墻體自身軸力體現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)的自身彎矩相對較小，且在彎矩圖結(jié)構(gòu)中可能產(chǎn)生一定變化，但是，并不會(huì)對整體結(jié)構(gòu)造成變化，且變形曲線也常常表現(xiàn)為彎曲型。

3）連肢墻，此類墻體一般沿洞口的豎直方向分布，面積已經(jīng)超出了墻體總面積的16%，然而，連梁剛度狀態(tài)卻始終低于墻肢剛度。如果剪力墻結(jié)構(gòu)的洞口較大，且分成一列，則可以稱之為雙肢墻，如果其中含有多列洞口，則可以稱作多肢墻。利用連梁結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到一定的墻肢約束效果，導(dǎo)致墻肢彎矩常常發(fā)生突變問題，同時(shí)，也可能存在數(shù)量較多的反彎點(diǎn)，以增加墻肢局部彎矩，使正應(yīng)力截面難以呈現(xiàn)出直線分布狀態(tài)，且始終保持為彎曲型變化的趨勢。

4）壁式框架，此類框架中的墻壁洞口面積相對較大，其中的連梁和墻肢剛度基本一致，且不會(huì)對彎矩圖樓層位置造成過大影響，可能導(dǎo)致樓層中出現(xiàn)較多的反彎點(diǎn)，至于變形曲線，則往往采取剪切型的形式[3]。

3.2 建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

現(xiàn)階段，建筑結(jié)構(gòu)形式普遍呈現(xiàn)出多樣化變化的趨勢，其中的剪力墻結(jié)構(gòu)整體性和剛度都較為突出，不會(huì)因水平荷載力而導(dǎo)致剪力墻結(jié)構(gòu)變形，因此已經(jīng)在建筑工程行業(yè)中得到了廣泛運(yùn)用。要求在進(jìn)行高層建筑建設(shè)時(shí)進(jìn)行合理的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)展開精準(zhǔn)計(jì)算，基于整體化視角展開對于剪力墻結(jié)構(gòu)的深入分析，明確剪力墻結(jié)構(gòu)的橫縱向結(jié)構(gòu)，科學(xué)利用各類計(jì)算方式，并做好建筑工程配筋設(shè)計(jì)。此外，要求在應(yīng)用剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，針對結(jié)構(gòu)的連梁跨度予以高效控制，并將最適宜的高度控制在2.5倍高以上，在最大程度上避免剪力墻結(jié)構(gòu)之中所存在的各類剪力問題，將調(diào)整到合理的彎矩區(qū)間內(nèi)。9AD4D60A-5422-4593-85AF-B82A4E2257F3

針對剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，要求充分關(guān)注結(jié)構(gòu)的使用情況，讓連梁彎矩和剪力設(shè)計(jì)維持在良好的狀態(tài)之中，以充分確保剪力墻結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。同時(shí)，要求針對剪力墻結(jié)構(gòu)的數(shù)量設(shè)計(jì)方案予以積極優(yōu)化調(diào)整，以降低剪切變形出現(xiàn)的概率，實(shí)現(xiàn)對于剪力墻豎向構(gòu)件剛度的合理化控制。針對剪力墻結(jié)構(gòu)實(shí)施設(shè)計(jì)，一旦無法充分保障位移，就可能在一定程度上提升剪力墻的側(cè)向剛度，對平面外剛度造成嚴(yán)重限制。基于此，要求針對洞口周邊的位置予以靈活調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)對于墻肢壓軸比界限的充分控制，讓剪力墻的相應(yīng)結(jié)構(gòu)得到切實(shí)強(qiáng)化，同時(shí)，針對剪力墻邊緣構(gòu)造設(shè)計(jì)實(shí)施優(yōu)化調(diào)整，以充分保障剪力墻的邊緣構(gòu)造設(shè)計(jì)質(zhì)量[4]。

4、建筑工程剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及布置方案

4.1 剪力墻連梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對高層建筑中的剪力墻結(jié)構(gòu)實(shí)施設(shè)計(jì)，要求進(jìn)行連梁結(jié)構(gòu)超筋處理。該結(jié)構(gòu)對剪切變形十分敏感，一旦出現(xiàn)了剪切變形問題，則可能直接影響建筑物的整體實(shí)用性和堅(jiān)固性，要求設(shè)計(jì)人員提高對于這一問題的關(guān)注。由此可見，連梁超筋結(jié)構(gòu)是最為主要的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。剪力墻結(jié)構(gòu)具備良好的延伸性能，可能直接影響墻體的整體結(jié)構(gòu)和耐久性，要求在設(shè)計(jì)施工階段全面把握剪力墻延伸性能，方可充分保障建筑項(xiàng)目的安全性和穩(wěn)定性。

1）剪力墻結(jié)構(gòu)最為主要的特點(diǎn)便在于可以充分抵抗地震問題。為此，要求在剪力墻連梁剪力及剪力墻連梁彎矩設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行積極調(diào)整，以達(dá)到良好的結(jié)構(gòu)塑形調(diào)幅效果。

2）進(jìn)行剪力墻連梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要求積極設(shè)計(jì)合理的剪力墻連梁截面方案，針對連梁的截面高度進(jìn)行充分管控。同時(shí)，要求在開展剪力墻內(nèi)力計(jì)算前，切實(shí)做好與連梁自身剛度相關(guān)的各類拆減處理工作。在結(jié)束剪力計(jì)算后，需要針對連梁之中的具體剪力值予以計(jì)算，以充分保障計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。需要結(jié)合工程實(shí)際確定最為適合的計(jì)算方法，并以此確定相應(yīng)的剪力和彎矩設(shè)計(jì)值，針對計(jì)算數(shù)據(jù)予以充分調(diào)整，確保調(diào)整后的數(shù)據(jù)可以大于計(jì)算數(shù)據(jù)，以充分提升計(jì)算的準(zhǔn)確度。

3）設(shè)計(jì)剪力墻連梁結(jié)構(gòu)，要求將剪力墻連梁破壞性能作為設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以降低連梁結(jié)構(gòu)破壞所引起的豎向荷載變化。使用該剪力墻連梁結(jié)構(gòu)，則在大震作用下往往無需同步工作，可以結(jié)合獨(dú)立墻肢實(shí)施剪力墻連梁分類，針對墻肢結(jié)構(gòu)實(shí)施結(jié)構(gòu)分層分析，通過兩次計(jì)算結(jié)構(gòu)，分析墻肢結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布狀態(tài)，以達(dá)到良好的配筋計(jì)算效果。在實(shí)施彎矩設(shè)計(jì)時(shí)，要求充分關(guān)注彎矩的抗震設(shè)防烈度，讓彎矩的設(shè)計(jì)值得以低于抗震設(shè)防烈度的組合值，在最大程度上保障彎矩的使用質(zhì)量，以降低建筑結(jié)構(gòu)因小型地震所受損的風(fēng)險(xiǎn)，讓高層建筑建設(shè)的安全性得到充分保障[5]。

4.2 剪力墻定位

對于建筑工程而言，其中剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性將會(huì)直接影響剪力墻定位的科學(xué)性，進(jìn)而影響建筑結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量。為充分保障建筑工程施工的可行性和質(zhì)量，要求在剪力墻定位時(shí)充分關(guān)注實(shí)際方向，沿主軸方向?qū)崿F(xiàn)對于剪力墻結(jié)構(gòu)的雙向布置。針對高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)實(shí)施設(shè)計(jì)，要求充分關(guān)注轉(zhuǎn)換塊壘結(jié)構(gòu)的布置問題，針對具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高位轉(zhuǎn)換底部空間予以優(yōu)化調(diào)整，不斷提升轉(zhuǎn)換層高位狀態(tài)之中的轉(zhuǎn)換層質(zhì)量和剛度，使得以與上限的剛度和質(zhì)量保持一致。在實(shí)施轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)時(shí)，要求針對其剛度及質(zhì)量予以充分管控，細(xì)致檢查層間位移角的均勻性和轉(zhuǎn)換層的水平狀態(tài)，明確轉(zhuǎn)換層內(nèi)部的實(shí)際空間狀態(tài)，建立對于轉(zhuǎn)換層均勻狀況的清晰認(rèn)知。

同時(shí)，充分關(guān)注轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的薄弱部位，并予以積極優(yōu)化。仔細(xì)研究轉(zhuǎn)換層之中的內(nèi)力分配情況，并針對結(jié)構(gòu)相對薄弱的位置進(jìn)行優(yōu)化，不斷調(diào)整構(gòu)件配筋的數(shù)量，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能，讓高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性得到充分保障。

并且，剪力墻具有十分典型的抗震特點(diǎn)，要求充分關(guān)注剪力墻結(jié)構(gòu)，以促進(jìn)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性提升。需要針對施工作業(yè)全程實(shí)施充分管控，以促進(jìn)工程施工質(zhì)量提升，相應(yīng)避免單向剪力墻結(jié)構(gòu)。剪力墻定位針對不同幾何形狀有以下不同要求。對于正多邊形、弧形及圓形平面而言，需要沿徑向方向進(jìn)行定位，以實(shí)現(xiàn)環(huán)向設(shè)計(jì);如果平面呈現(xiàn)為Y形或三角形，則要求沿不同軸線方向?qū)嵤┏浞衷O(shè)計(jì);對于T形及L形平面或矩形平面而言，需要沿軸線方向?qū)嵤┢矫嬖O(shè)計(jì)，以促進(jìn)設(shè)計(jì)合理性提升[6]。

4.3 墻肢處理

1）針對高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，要求在墻肢處理過程中充分關(guān)注計(jì)算開洞問題。計(jì)算開洞即在實(shí)施剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)沒有洞，且在實(shí)際施工階段墻體仍然為混凝土墻。針對剪力墻墻肢結(jié)構(gòu)實(shí)施計(jì)算，以確定其中的計(jì)算開洞參數(shù)，可以讓其他剪力墻結(jié)構(gòu)的小墻肢配筋水平得以切實(shí)提升。該方法的主要運(yùn)用情形為地下室外墻結(jié)構(gòu);其次，關(guān)注施工開洞。針對高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，則墻上會(huì)留下許多洞，需要在結(jié)束施工后進(jìn)行細(xì)致填充，以確保墻面結(jié)構(gòu)的完整度。

2）針對長墻肢進(jìn)行充分優(yōu)化，得以成為短墻肢結(jié)構(gòu)。當(dāng)前，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來越廣泛，它采用寬度（肢厚比）較小的剪力墻，用戶可以一定范圍內(nèi)改造室內(nèi)布局，增加了空間的靈活性。

4.4 上下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先，需要結(jié)合工程實(shí)際，減少結(jié)構(gòu)的上部剛度。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要針對剪力墻結(jié)構(gòu)數(shù)量予以調(diào)整，讓上部結(jié)構(gòu)得以更好適應(yīng)建筑的壓軸比，并在此基礎(chǔ)上不斷縮短其墻肢的長度;其次，要求不斷調(diào)整下部剛度結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，設(shè)置相應(yīng)的落地剪力墻結(jié)構(gòu)，讓其得以均勻分布于相應(yīng)的空間層之中。同時(shí)，應(yīng)盡量避免使用集中布置的方式予以處理;再次，要求科學(xué)配置上下部剛度。一旦剛度過大，則可能導(dǎo)致剪力墻受到地震因素的嚴(yán)重影響，需要積極提升豎向的剛度要求。然而，采用此類方法可能造成嚴(yán)重的建筑材料損耗，導(dǎo)致建設(shè)成本增加;最后，對于剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，轉(zhuǎn)換層之中的剛度過小是限制上下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效性的最主要原因。為此，要求針對截面尺寸問題予以高效管控，以科學(xué)合理的方式進(jìn)行截面尺寸設(shè)計(jì)，同時(shí)，嚴(yán)格落實(shí)各項(xiàng)設(shè)計(jì)需求，實(shí)現(xiàn)對于材料剛度的有效控制。

4.5 嚴(yán)格管控施工設(shè)計(jì)成本

針對剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全過程實(shí)施細(xì)致檢查，以此為基礎(chǔ)，綜合協(xié)調(diào)各項(xiàng)設(shè)計(jì)內(nèi)容，以便據(jù)此實(shí)施剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案調(diào)整，從而降低建筑質(zhì)量問題的發(fā)生，保障建筑工程施工安全性，降低建筑工程項(xiàng)目總成本。首先，開展剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要充分關(guān)注相關(guān)規(guī)范要求，全面檢查部件的長度及規(guī)格信息，讓部件結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)規(guī)范之間的契合度得以切實(shí)保障，相應(yīng)降低設(shè)計(jì)誤差。除此之外，要求充分關(guān)注抗震墻的延伸水平，針對結(jié)構(gòu)耗能水平實(shí)施充分配置，進(jìn)而保障高層建筑結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

1）開展剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要全面把握邊緣設(shè)計(jì)工作。明確其中的各個(gè)消耗環(huán)節(jié)，并以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行高效管控，結(jié)合具體的設(shè)計(jì)質(zhì)量，充分削弱工程施工成本。

2）開展剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要計(jì)算工程施工中所使用的鋼筋結(jié)構(gòu)數(shù)量，在保障結(jié)構(gòu)安全的前提下，通過有效的鋼筋用量管控，取得最佳的施工設(shè)計(jì)成本管控效果。

結(jié)語：

綜上所述，建筑工程中的剪力墻結(jié)構(gòu)普遍具有較為突出的承載性能和抗震性能優(yōu)勢，通過積極的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，可以讓建筑質(zhì)量與安全性能得到充分提升，并能有效降低工程造價(jià)。

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