建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

周光禹 沈陽(yáng)城市學(xué)院高級(jí)工程師

張 鑫 天津市海順交通工程設(shè)計(jì)有限公司遼寧分公司高級(jí)工程師

高 蕉 沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院高級(jí)工程師

建筑行業(yè)發(fā)展期間，為了營(yíng)造良好的生存環(huán)境，建筑設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)需要深入研究建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量，維護(hù)建筑結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。城市化發(fā)展中，由于土地資源短缺，建筑層數(shù)逐漸增加。因此，現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要注重剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。剪力墻結(jié)構(gòu)的承載力強(qiáng)，能夠同時(shí)承載結(jié)構(gòu)水平力和豎向力，加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性，展示出其在建筑結(jié)構(gòu)中的保護(hù)效果。

1 剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻是建筑工程中使用鋼筋混凝土全面替代傳統(tǒng)框架梁柱的構(gòu)造形式。利用鋼筋混凝土承受內(nèi)力，保證水平力平衡，可以避免建筑結(jié)構(gòu)遭受剪切破壞影響[1]。為了保證建筑的堅(jiān)固性，剪力墻建筑材料多應(yīng)用到鋼筋混凝土。按照不同施工方法，建筑結(jié)構(gòu)可劃分為框架結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)、框筒結(jié)構(gòu)以及剪力墻結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)造節(jié)點(diǎn)如圖1 所示，其抗側(cè)剛度大、抗震性能優(yōu)，被推廣應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

圖1 剪力墻結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)

剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間，施工企業(yè)應(yīng)用鋼筋混凝土墻板代替原先框架結(jié)構(gòu)梁柱，以承擔(dān)水平與豎向荷載，進(jìn)而有效控制建筑結(jié)構(gòu)水平力[2]。剪力墻結(jié)構(gòu)具備良好的抗震性能與剛度，因此被廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)種類

為提高結(jié)構(gòu)抗震性與穩(wěn)定性，可以利用剪力墻結(jié)構(gòu)控制承載力提升結(jié)構(gòu)剛度。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的類型不同時(shí)，剪力墻結(jié)構(gòu)存在明顯差異，可以結(jié)合實(shí)際選擇建筑構(gòu)成與技術(shù)工藝，用以滿足剪力墻結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 實(shí)體墻

在剪力墻結(jié)構(gòu)中，若不注重墻體開(kāi)洞處理，則可將其設(shè)計(jì)成實(shí)體墻結(jié)構(gòu)。如果開(kāi)洞面積不足15%，也可設(shè)計(jì)為實(shí)體墻結(jié)構(gòu)[3]。同時(shí)，在設(shè)計(jì)實(shí)體墻結(jié)構(gòu)時(shí)，需要深入分析剪切力。加之實(shí)體墻具有牢固的特點(diǎn)，其可以減少突變、彎矩問(wèn)題的發(fā)生，提升結(jié)構(gòu)支撐的承載力，以保障剪力墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。

2.2 雙肢剪力墻與多肢剪力墻

剪力墻結(jié)構(gòu)涉及多肢剪力墻和雙肢剪力墻。墻面上開(kāi)有一排洞口的墻被稱為雙肢墻，開(kāi)設(shè)多排洞口的稱為多肢墻。多肢墻因門窗洞口較大，墻截面正應(yīng)力不再為直線分布，受力與變形變化大，墻肢線剛度大于連梁線剛，且每根連梁中部存在反彎點(diǎn)，各墻肢單獨(dú)彎曲作用顯著，只是在少數(shù)層內(nèi)出現(xiàn)反彎點(diǎn)，因此需要采用相關(guān)方法進(jìn)行分析。雙肢墻因連梁連接，其結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析稱為高次超靜定問(wèn)題。為了簡(jiǎn)化計(jì)劃，需要應(yīng)用微分方程法進(jìn)行計(jì)算分析。

2.3 壁式框架剪力墻

當(dāng)剪力墻洞口尺寸較大、墻體寬度較小時(shí)，連梁線剛度接近墻肢線剛度，剪力墻受力性能接近于框架，因此被稱為壁式框架剪力墻，見(jiàn)圖2。

圖2 框架剪力墻結(jié)構(gòu)

3 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

3.1 高度與寬度設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，全面按照剪力墻寬度、高度要求，立足于柱體受力方式，使剪力墻支撐建筑結(jié)構(gòu)。優(yōu)化設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)，根據(jù)水平力和豎向力要求，準(zhǔn)確計(jì)算剪力墻彎矩力。結(jié)構(gòu)具有非彈性、彈性特點(diǎn)，設(shè)計(jì)過(guò)程中需合理控制剪力墻結(jié)構(gòu)高度和寬度。

3.2 延展性控制原則

剪力墻結(jié)構(gòu)的延展性特點(diǎn)會(huì)極大地影響其穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)時(shí)連梁應(yīng)力會(huì)影響剪力墻，使其產(chǎn)生彎曲、拉伸、變形等問(wèn)題，致使結(jié)構(gòu)剪切被破壞、脆性被破壞。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，墻體長(zhǎng)度應(yīng)小于9 m，高寬比應(yīng)大于2[4]。當(dāng)建筑為長(zhǎng)墻體時(shí)，需要設(shè)置翼緣，避免出現(xiàn)“一”字形剪力墻。在截面位置設(shè)置洞口，將長(zhǎng)墻體劃分為若干段小墻體，實(shí)行弱連梁、肢墻連接模式。但是，當(dāng)短肢剪力墻較多時(shí)，則無(wú)法滿足高層剪力墻設(shè)計(jì)原則，因此需要控制短肢剪力墻數(shù)量，確保其抵抗水平應(yīng)力。

3.3 連續(xù)性控制原則

剪力墻結(jié)構(gòu)可以分隔、維護(hù)建筑構(gòu)件，其水平抗側(cè)、豎向承重效果顯著。為了減少剛度影響，防止建筑側(cè)移、剪力墻突變，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要合理布置剪力墻，積極預(yù)防剛度突變問(wèn)題。建筑人員要考慮墻體高度與方向，選用高質(zhì)量混凝土材料，適當(dāng)增加墻體厚度，提高剪力墻結(jié)構(gòu)剛度[5]。針對(duì)小開(kāi)間、室內(nèi)面積小、抗震性能要求高的建筑結(jié)構(gòu)，如果無(wú)法保證剪力墻的連續(xù)性，就要合理設(shè)置剪力墻，保證上洞口、下洞口對(duì)齊。同時(shí)，洞口位置設(shè)置重疊墻肢、連梁，以加強(qiáng)抗震性能。

3.4 剪力系數(shù)控制原則

設(shè)計(jì)剪力墻系數(shù)時(shí)，應(yīng)按照抗震要求合理控制剪力系數(shù)，以提高建筑結(jié)構(gòu)抗震能力和傾向剛度能力。在優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)傾向剛度時(shí)，需要在結(jié)構(gòu)內(nèi)增加傾覆力矩，有效控制不同結(jié)構(gòu)的剪力系數(shù)。

3.5 規(guī)則性控制原則

設(shè)計(jì)人員需要深入分析建筑不同區(qū)域的不同作用，通過(guò)簡(jiǎn)單剪力墻結(jié)構(gòu)劃分不同區(qū)域的功能區(qū)，保證建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足多樣化需求，為后續(xù)擴(kuò)展、維護(hù)施工預(yù)留充足的空間。設(shè)計(jì)剪力墻時(shí)，應(yīng)遵循規(guī)則性控制原則，針對(duì)高層建筑剪力墻可采用兩主軸雙向設(shè)置方式，此方式下剪力墻側(cè)向剛度差別不大，可以避免建筑側(cè)向位移[6]。優(yōu)化設(shè)計(jì)抗震結(jié)構(gòu)建筑時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)注重剪力墻設(shè)計(jì)的規(guī)則化與簡(jiǎn)單化，避免出現(xiàn)單向墻，在地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)保證建筑物不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重墻體變形與倒塌問(wèn)題。建筑平面不規(guī)則時(shí)，為了避免出現(xiàn)單向墻，必須按照環(huán)向、徑向布置剪力墻結(jié)構(gòu)，如果出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，則根據(jù)剪力墻模式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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

4.1 合理設(shè)計(jì)連梁

要想優(yōu)化設(shè)計(jì)連梁，需要通過(guò)若干個(gè)墻肢加強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，保證剪力墻結(jié)構(gòu)受到水平荷載時(shí)墻肢無(wú)扭曲問(wèn)題。在連梁設(shè)計(jì)中，可適當(dāng)應(yīng)用連梁裝置，提高墻體的穩(wěn)定性，確保墻肢受到水平荷載作用力后，不會(huì)對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)造成影響。剪力墻結(jié)構(gòu)中需要設(shè)置連梁結(jié)構(gòu)，以提升剪力墻的承載性能。在剪力墻結(jié)構(gòu)中，連梁為重要組成部分，所以必須注重連梁設(shè)計(jì)優(yōu)化。此外，連梁設(shè)計(jì)中，需要立足于設(shè)計(jì)要求優(yōu)化調(diào)整連梁參數(shù)[7]。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要提高建筑結(jié)構(gòu)承載能力、抗震能力，合理控制剪力墻結(jié)構(gòu)高度、寬度，擴(kuò)大連梁面積，展示出連梁裝置在剪力墻結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用效果。

4.2 優(yōu)化平面與結(jié)構(gòu)布置

合理布置剪力墻平面時(shí)，按照均勻?qū)ΨQ原則，確保墻面結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心、剛度中心重合，控制扭矩，拉通和對(duì)直內(nèi)外剪力墻，降低不均衡作用力。剪力墻沿著主軸走向，做好雙向與多項(xiàng)布置。優(yōu)化設(shè)計(jì)抗震功能時(shí)，應(yīng)減少單向墻設(shè)計(jì)模式，充分發(fā)揮出剪力墻功能。為了維護(hù)建筑質(zhì)量與安全，降低施工成本，剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間還需合理控制抗側(cè)力剛度，因?yàn)楫?dāng)抗側(cè)力剛度較大時(shí)會(huì)增加震力，進(jìn)一步增加墻體自身重量。此外，需要合理布置剪力墻結(jié)構(gòu)，要求設(shè)計(jì)人員減少單向形式設(shè)計(jì)，以免影響剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能，降低建筑工程的抗震性能。在合理布置結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)充分發(fā)揮出剪力墻的側(cè)向剛度，提升建筑工程的抗震性能。

4.3 把握剪力墻外形與尺寸

隨著建筑規(guī)模的擴(kuò)大化和建筑功能的多樣化發(fā)展，設(shè)計(jì)人員需要高度重視剪力墻外形與尺寸設(shè)計(jì)，明確最佳參數(shù)。通過(guò)此種方式展示剪力墻的作用，確保剪力墻設(shè)計(jì)達(dá)標(biāo)。建筑結(jié)構(gòu)中，剪力墻結(jié)構(gòu)可以支撐建筑豎向力、水平力，應(yīng)按照荷載承載要求和剛度要求，優(yōu)化設(shè)計(jì)剪力墻尺寸及外形，設(shè)置墻肢截面高度。按照建筑設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，應(yīng)設(shè)置大開(kāi)間剪力墻，確保不同位置的荷載達(dá)到要求，全面展示荷載傳遞效果。分析剪力墻施工過(guò)程，制定科學(xué)的施工方案，聯(lián)合設(shè)計(jì)內(nèi)容，以T 型、L 型開(kāi)展剪力墻結(jié)構(gòu)施工，不但可以提高剪力墻剛度，還可以減少墻體重力的影響。此外，按照標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)法開(kāi)展剪力墻結(jié)構(gòu)施工時(shí)，應(yīng)科學(xué)控制結(jié)構(gòu)外形與尺寸，降低施工成本，優(yōu)化剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[8]。

4.4 完善剪力墻大墻肢

剪力墻結(jié)構(gòu)施工時(shí)，為了發(fā)揮剪力墻結(jié)構(gòu)作用，施工企業(yè)需按照施工技術(shù)與方案，優(yōu)化剪力墻肢施工，處理好現(xiàn)存問(wèn)題，減少剪力墻結(jié)構(gòu)質(zhì)量隱患。此外，調(diào)整剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，既要擴(kuò)展剪力墻延展性能，又要調(diào)整剪力墻結(jié)構(gòu)寬度、高度，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求優(yōu)化控制高寬比，降低剪切、破壞不良影響。通過(guò)彎曲形狀，完善剪力墻肢，落實(shí)以下設(shè)計(jì)內(nèi)容。

一是剪力墻高度達(dá)標(biāo)，在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)增加空洞。施工操作時(shí)，通過(guò)專業(yè)開(kāi)洞技術(shù)確保每個(gè)開(kāi)洞位置均能夠劃分剪力墻結(jié)構(gòu)，降低彎曲作用，避免破壞剪力墻結(jié)構(gòu)，從而控制裂縫問(wèn)題。二是提高剪力墻支撐作用，注重剪力墻高度控制。當(dāng)剪力墻高度＞8 m 時(shí)，選擇適宜位置進(jìn)行開(kāi)洞處理[9]。完成剪力墻施工后，使用混凝土材料封堵空洞。

4.5 設(shè)計(jì)完善剪力墻邊緣構(gòu)件

設(shè)計(jì)和構(gòu)建剪力墻邊緣時(shí)，應(yīng)注重邊緣構(gòu)造約束，優(yōu)化邊緣構(gòu)件設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)施工中，深入分析現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，選擇科學(xué)的技術(shù)方案優(yōu)化構(gòu)件設(shè)計(jì)，聯(lián)合結(jié)構(gòu)構(gòu)件實(shí)施劃分，發(fā)揮出構(gòu)件在剪力墻結(jié)構(gòu)中的作用。

按照標(biāo)準(zhǔn)化施工要求，聯(lián)合箍筋、配筋特征值，發(fā)揮出墻肢長(zhǎng)度的作用，同時(shí)合理控制結(jié)構(gòu)尺寸與形態(tài)大小，減少設(shè)計(jì)不合理問(wèn)題。優(yōu)化配置縱向鋼筋，通過(guò)構(gòu)件優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)，降低剪力墻剛度，有效約束結(jié)構(gòu)內(nèi)邊緣構(gòu)件。

4.6 剪力墻延伸性處理

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，延伸性處理屬于剪力墻設(shè)計(jì)重點(diǎn)內(nèi)容。一般來(lái)說(shuō)，剪力墻結(jié)構(gòu)的延伸性較強(qiáng)，所以剪力墻設(shè)計(jì)與施工具備延伸性，延伸性對(duì)剪力墻整體性、耐久性影響較大。此外，在延伸性處理中，為了防止剪力墻結(jié)構(gòu)遭到破壞，設(shè)計(jì)人員必須滿足承載力要求，以對(duì)稱、均勻、連貫的設(shè)計(jì)方法，加強(qiáng)剪力墻整體支撐效果，從而提升剪力墻設(shè)計(jì)的可靠性。

4.7 提升剪力墻強(qiáng)度與性能

在剪力墻設(shè)計(jì)中，強(qiáng)度與性能提升也屬于設(shè)計(jì)重點(diǎn)。按照我國(guó)出臺(tái)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可知，建筑工程設(shè)計(jì)與施工期間，應(yīng)當(dāng)保障剪力墻水平、豎向分布筋的配筋率。針對(duì)非抗震設(shè)計(jì)、四級(jí)抗震設(shè)計(jì)，配筋率應(yīng)高于0.20%。針對(duì)一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)抗震建筑設(shè)計(jì)，應(yīng)確保配筋率高于0.25%，以進(jìn)一步提升建筑抗震強(qiáng)度與性能。此外，在提升剪力墻強(qiáng)度與性能時(shí)，設(shè)計(jì)人員需遵循混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范、抗震設(shè)計(jì)規(guī)范等相關(guān)要求，約束、構(gòu)造邊緣剪力墻構(gòu)件，確保矩形截面剪力墻極限承載力達(dá)到40%，同時(shí)提升抗震能力，保證剪力墻設(shè)計(jì)的合理性。

5 結(jié)語(yǔ)

剪力墻結(jié)構(gòu)具備抗側(cè)剛度大、抗震性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，因此被廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。為確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果，提升建筑質(zhì)量，須掌握剪力墻結(jié)構(gòu)理論，遵循剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，按設(shè)計(jì)要點(diǎn)合理設(shè)計(jì)連梁，優(yōu)化平面布置，把握剪力墻外形與尺寸，設(shè)計(jì)完善剪力墻邊緣構(gòu)件，以展示剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)，優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)體系，促進(jìn)建筑行業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。