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

薛 磊

中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 陜西 西安 710043

隨著我國人民生活水平的日益提升，對房屋的功能也將有更高的需求，因此剪力墻被大面積應(yīng)用到住宅、辦公以及商業(yè)建筑等多個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。尤其對于住宅與酒店采用的現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)形式，不僅可以將隔斷墻和承重墻一體化，還可以將小開間中的部分隔墻面積最小化，從而提高了建筑面積的整體利用率[1]。剪力墻建筑也比傳統(tǒng)框架獲得了更大面積的利用余地，這主要由于剪力墻建筑有不露梁、立柱不外露、構(gòu)造簡潔等優(yōu)勢。同時(shí)，剪力墻結(jié)構(gòu)也可以合理設(shè)計(jì)為延性剪力墻，以提高其實(shí)際抗震性能，這種剪力墻既可以用于震區(qū)，也可以用于非震區(qū)。

1 剪力墻結(jié)構(gòu)概述

房屋框架結(jié)構(gòu)，一般是在房屋外或建筑物內(nèi)采用規(guī)定數(shù)量的基本結(jié)構(gòu)(如板、梁、柱等構(gòu)成建筑結(jié)構(gòu)的單元)相連（如圖1所示），并可以承擔(dān)相應(yīng)作用的結(jié)構(gòu)空間(含平面)。剪力墻結(jié)構(gòu)主要是依靠混凝土墻體經(jīng)受地震作用產(chǎn)生的風(fēng)荷載或地震水平力，包括構(gòu)造樓面本身的豎向力(在某些情況下還包括豎向地震力)。所以，剪力墻結(jié)構(gòu)不但能符合在地動(dòng)影響和風(fēng)荷載影響下的剛性強(qiáng)度要求，而且還能解決在反復(fù)非彈性變化條件下的延性要求和結(jié)構(gòu)能耗需要。這些特性使得其能夠很好地應(yīng)用于抗震設(shè)防烈度較低地區(qū)，尤其是對那些處于多震環(huán)境中的高層建筑[2]。

圖1 剪力墻基本結(jié)構(gòu)

2 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)

2.1 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)

在較低層，由于剪力墻的實(shí)際移動(dòng)不大，并使框架產(chǎn)生了彎曲型曲線變化，因此剪力墻實(shí)際受到的水平應(yīng)力也較大，在頂層則恰恰相反，由于剪力墻的實(shí)際移動(dòng)比較多，有逐漸向外側(cè)扭曲的趨勢。當(dāng)荷載增加到一定程度時(shí)，剪力墻發(fā)生屈曲破壞，此時(shí)由于剪力作用使其剛度下降，從而影響整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。

另外，剪力墻不僅不能承擔(dān)由整個(gè)荷載對結(jié)構(gòu)帶來的實(shí)際水平壓力，同時(shí)也能承擔(dān)負(fù)剪應(yīng)力，使整體框架產(chǎn)生了額外的水平壓力。這樣，即使外在荷載對高層形成了極小的剪切力，也會(huì)對框架層形成非常大的剪切力。如果將剪力墻與框架組合起來使用，就可以充分發(fā)揮其作用。這不但增加了建筑物結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度和承載力，同時(shí)降低了建設(shè)費(fèi)用。

2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

剪力墻框架一般要求以鋼筋混凝土板完全取代了傳統(tǒng)的框架式板柱結(jié)構(gòu)，對樓板的水平受力進(jìn)行必要的控制性，以確保樓板結(jié)構(gòu)有良好的可靠性。剪力墻結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

第一，穩(wěn)定性較高。在開展建筑工程建設(shè)之時(shí)，經(jīng)常會(huì)用到剪力墻結(jié)構(gòu)，它是一種新型的高層建筑體系，可以有效地保證建筑物具有較強(qiáng)的抗側(cè)剛度。隨著剪力墻強(qiáng)度的增大。剪力墻厚度的增大也意味著連梁實(shí)際斷面長度的擴(kuò)大。剪力墻構(gòu)造通常使用鋼筋砼構(gòu)件，和傳統(tǒng)的框式梁柱比較，該種構(gòu)造形式擁有良好的整體特性，可以帶來良好的支撐效應(yīng)，對建筑的穩(wěn)定性有很大的提高。

第二，經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)。由于在剪力墻的總體構(gòu)造中會(huì)更合理的使用鋼筋混凝土，可以大幅度降低鋼料的實(shí)際使用率，從而節(jié)約了不必要的費(fèi)用。

第三，建筑美觀性較好。剪力墻構(gòu)件有很大的抗側(cè)強(qiáng)度，可根據(jù)自身實(shí)際狀況做出不同程度的調(diào)節(jié)，能完全適應(yīng)各個(gè)年齡的群體對建筑物美觀性能的自身能力要求。

第四，規(guī)則性。通常情況下，各種建筑都可以被分割成各種功能的分區(qū)，而且每個(gè)區(qū)域的角色也會(huì)有所不同。而在高層建筑中，由于其功能較為復(fù)雜和多樣，所以就需要對建筑物進(jìn)行合理規(guī)劃和布置，從而滿足人們對于居住環(huán)境以及生活質(zhì)量等多方面要求。另外，剪力墻洞口實(shí)際長度必須根據(jù)有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)逐步增加，此外，連梁實(shí)際高度同時(shí)科學(xué)合理的降低。這么做的終極目的是合理減小連梁的實(shí)際剛度，同時(shí)提高整體建筑物的實(shí)際耗能性能。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則

3.1 肢長與厚度比值的要求

在剪力墻架構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，首先必須嚴(yán)格按照剪力墻的承載形式和幾何特性，來求得肢長的長度和厚薄的比率，這主要由于剪力墻的寬度與高度之間有較大的差異。只有測算出肢長和厚薄二者的比例之后，相應(yīng)的工程設(shè)計(jì)技術(shù)人員方可按照計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)膲w和雙向受力結(jié)構(gòu)[3]。因此，為了更好地服務(wù)于未來的工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，剪力墻的周長比和壁厚比的計(jì)算應(yīng)按有關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2 滿足剛度、變形性能以及延性方面的要求

在剪力墻架構(gòu)設(shè)計(jì)的整個(gè)流程中，除必須精確測算出肢長的直徑和厚度之間的比例之外，還必須保證剪力墻的實(shí)際強(qiáng)度、變形特性和延性滿足要求。在設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，各工程設(shè)計(jì)技術(shù)人員都應(yīng)該很明確地知道，剪力墻結(jié)構(gòu)必須承擔(dān)更多的外力，首先，對建筑所形成的水平方位應(yīng)力和彎矩，以及豎直方向所產(chǎn)生不同程度的壓力;其次，軸力和其他類型的剪力。另外一個(gè)重要的影響因素就是混凝土材料自身存在的彈性特性和塑性性質(zhì)。而對于鋼筋來說，其本身具有較強(qiáng)的抗拉能力，并且能夠通過反復(fù)拉伸來保證結(jié)構(gòu)的整體性。所以，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程中，剪力墻通常設(shè)定為延性曲線的形式。剪力墻設(shè)計(jì)成具有強(qiáng)延性彎曲型，首先是希望在盡可能地改善整體建筑物的耐震特性，同時(shí)也是希望在較大程度上減少整體建筑物的對脆性材料剪力破壞?？傊谡w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，剪力墻應(yīng)該盡可能地適應(yīng)強(qiáng)度、變形特性以及延性的特點(diǎn)，如此剪力墻才能在整體建筑物中發(fā)揮它所特有的價(jià)值。

3.3 防止平面外搭接現(xiàn)象的出現(xiàn)

通常，在設(shè)計(jì)普通建筑時(shí)，建筑設(shè)計(jì)的重心是處理樓板內(nèi)部的扭曲變化和剪切變化。但是，隨著高層建筑結(jié)構(gòu)層數(shù)越來越多，其水平方向的剛度不斷增加。這就導(dǎo)致了整個(gè)結(jié)構(gòu)體系中所需要設(shè)置的剪力墻數(shù)目逐漸增多。因此，當(dāng)豎向結(jié)構(gòu)數(shù)量過多時(shí)，剪力墻的剪重比也會(huì)提高。在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程中，必須實(shí)施各種舉措，盡量避免有平面外搭接的現(xiàn)象發(fā)生。該項(xiàng)工作的主要目的是使剪力墻達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在建筑中發(fā)揮更好的作用。在剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程中，如果不能避免剪力墻平面外搭接，則必須根據(jù)自身實(shí)際情況，實(shí)施科學(xué)相應(yīng)的舉措，盡最大能力保證剪力墻平面外的安全。

3.4 進(jìn)行精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)計(jì)算

剪力墻通常是用于抵擋由強(qiáng)風(fēng)或地震所產(chǎn)生的水平荷載的，不過剪力墻的實(shí)際設(shè)計(jì)中也沒有越多越好。其實(shí)，在建筑施工過程中，要減輕建筑自身的載荷，提高建筑的抗震能力，我們就要盡可能減少剪力墻的數(shù)量。通常，剪力墻的施工都要注重對稱與平衡度。在進(jìn)行總體設(shè)計(jì)的程序中，建筑剪力墻除要完成以上這三方面的設(shè)計(jì)要求以外，還要進(jìn)行工程設(shè)計(jì)預(yù)算。在剪力墻結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)的過程中，通過對剪力墻的構(gòu)造解析，需要同時(shí)從平面和豎向兩個(gè)方面解析構(gòu)件的穩(wěn)定性。當(dāng)剪力墻的負(fù)荷相當(dāng)大，就應(yīng)該采用各種保護(hù)措施，使其達(dá)到相應(yīng)的要求。

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

4.1 墻肢長度以及厚度的選取

在剪力墻墻肢實(shí)際長度和實(shí)際厚度兩個(gè)參數(shù)的選擇過程中，必須嚴(yán)格根據(jù)相關(guān)規(guī)范條例進(jìn)行。剪力墻的實(shí)際標(biāo)高，就叫做剪力墻的橫截面實(shí)際標(biāo)高。而如果是采用較高的剪力墻的話，就會(huì)導(dǎo)致其承載力下降，這對于建筑物來說是非常不利的。所以，在對剪力墻構(gòu)件進(jìn)行方案設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須要選用正確的方法。對于剪力墻墻肢寬度和墻高之間的比例來說，應(yīng)該保持一個(gè)比較合適的值。因?yàn)檫@個(gè)比例如果選擇得不合理的話，就會(huì)對建筑物的安全性能造成較大的影響。一般來說，剪力墻的墻肢高度和墻肢高寬比的實(shí)體比例都必須符合[4]。

4.2 剪力墻的科學(xué)平面布局

在進(jìn)行剪力墻設(shè)計(jì)的過程中，要盡量符合建筑主軸的雙向布置方向，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量減少單向墻的出現(xiàn)。因?yàn)橹挥羞@樣才能保證高層建筑的整體穩(wěn)定性和安全性，并且可以滿足人們對于居住環(huán)境要求提高的需要。

第一，如果建筑物的設(shè)計(jì)中涉及橢圓、弧線、或多邊形平面結(jié)構(gòu)，剪力墻也可設(shè)計(jì)為環(huán)狀結(jié)構(gòu)或沿徑向布置。這樣既能夠保證墻體不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，又能使整個(gè)建筑物保持較高的剛度和強(qiáng)度。同時(shí)，在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮到豎向構(gòu)件對其所受荷載的影響（如圖2所示）。

圖2 剪力墻荷載影響

第二，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為Y型，則需要按照具體建筑物本身三軸的實(shí)際分布方向?qū)袅M(jìn)行設(shè)置。科學(xué)的平面布局對于剪力墻主體結(jié)構(gòu)的施工中起著重要的作用。相關(guān)作業(yè)人員在剪力墻的澆筑過程中，應(yīng)當(dāng)針對具體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行配件安裝，所有固定配件和連接件的放置應(yīng)當(dāng)穩(wěn)固，不得有松散和變形。接縫處理時(shí)要求提高其嚴(yán)密和可靠性，防止了水泥泄漏問題的發(fā)生。另外，還應(yīng)該做好鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)工作，確保澆筑完成后能夠形成一個(gè)整體，從而使得整個(gè)工程更加穩(wěn)固可靠。最后要注重做好材料運(yùn)送保管和現(xiàn)場檢測的有關(guān)環(huán)節(jié)，以確保質(zhì)量。在實(shí)際施工中一定要注意對混凝土強(qiáng)度進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)，保證其符合相關(guān)規(guī)定要求。除此之外，還要根據(jù)具體的情況來選擇合適的施工工藝，這樣才可以保障工程質(zhì)量。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程中，剪力墻通常設(shè)定為延性曲線的形式。剪力墻設(shè)計(jì)成具有強(qiáng)延性彎曲型，首先是希望在盡可能地改善整體建筑物的耐震特性，同時(shí)也是希望在較大程度上減少整體建筑物的對脆性材料剪力破壞。另外，在安裝相關(guān)模具的同時(shí)，必須對施工的行為做出相應(yīng)的規(guī)定，最大限度減少安裝誤差的發(fā)生。因?yàn)楦邔咏ㄖ且环N相當(dāng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，所以對其施工條件有很高要求;此外，由于我國人民生活水平提升和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，對高層房屋建筑的服務(wù)功能也有了更高需求。

第三，假如在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生了T型或矩形的平面構(gòu)件，則有必要根據(jù)由它自身所構(gòu)成的兩條軸線加以重新設(shè)計(jì)。這主要是因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)都是由許多單元所組合而成，同時(shí)各個(gè)單元也有著不同的外形和尺寸，這樣才能滿足強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性等方面要求;而且由于各個(gè)單元之間相互獨(dú)立，也不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象。

所以，在設(shè)計(jì)剪力墻構(gòu)件的過程中，應(yīng)該保持構(gòu)件的對稱性和均勻性，并在整體構(gòu)件中設(shè)置質(zhì)量與強(qiáng)度平衡的核心，以確保墻體不產(chǎn)生扭矩。同時(shí)還需要對其內(nèi)部構(gòu)造以及施工環(huán)節(jié)都加以重視。只有這樣才可以使得整個(gè)工程順利達(dá)到預(yù)想的最終目標(biāo)。在建筑結(jié)構(gòu)的過程中，一定要保證剪力墻能夠滿足規(guī)范的要求，始終遵循簡單、切合現(xiàn)實(shí)生活的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則。

4.3 約束邊緣構(gòu)件處理

有關(guān)專家認(rèn)為：無約束邊結(jié)構(gòu)實(shí)體矩形截面剪力墻的整體極限強(qiáng)度比約束邊剪力墻減少了約37-40%，且極限層間移角約降低了一倍，對結(jié)構(gòu)墻板穩(wěn)定性有良好作用。通過研究分析發(fā)現(xiàn):在相同條件下，與常規(guī)墻體相比，采用邊緣構(gòu)件能夠提高整體建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，具有良好的應(yīng)用前景[5]。同時(shí)也可以為今后類似工程提供借鑒作用。剪力墻的邊界結(jié)構(gòu)，通常由約束的約束邊界構(gòu)件和結(jié)構(gòu)中的構(gòu)造邊界構(gòu)件所組成。為提高剪力墻構(gòu)件的穩(wěn)定性，需要從不同類型和建筑物中科學(xué)合理地選擇并設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。

4.4 剪力墻連梁處理

當(dāng)墻肢接受一定水平負(fù)荷時(shí)，墻肢也會(huì)出現(xiàn)不同程度的屈曲，從而使連續(xù)梁承受了相應(yīng)的荷載。如果在剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中必須布置連梁，那就需要同時(shí)進(jìn)行跨高比和配筋設(shè)計(jì)。由于跨高比和截面尺寸都受許多因素影響，要使連梁的跨高比和截面尺寸具有良好地適應(yīng)設(shè)計(jì)條件，則我們可考慮采用下列措施:

第一，剪力墻洞口實(shí)際長度必須根據(jù)有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)逐步增加，此外，連梁實(shí)際高度同時(shí)科學(xué)合理的降低。這么做的終極目的是合理減小連梁的實(shí)際剛度，同時(shí)提高整體建筑物的實(shí)際耗能性能。

第二，剪力墻厚度的增大。剪力墻厚度的增大也意味著連梁實(shí)際斷面的擴(kuò)大，整體抗剪能力加強(qiáng)。

第三，應(yīng)提高混凝土材料的等級?；炷恋燃壍拇蠓忍岣呖梢源蟠筇岣哒麄€(gè)建筑的剛度，增加連梁的抗震性能[4-5]。

5 結(jié)論

總的來說，剪力墻的施工設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)符合規(guī)范與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并按照建筑的相關(guān)特性，合理地選用剪力墻構(gòu)件、墻體構(gòu)件的設(shè)置方法等，以確保剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體經(jīng)濟(jì)度和穩(wěn)定性。