剪力墻結構在建筑工程結構設計中的應用研究

王春燕

隨著建筑層高不斷增加，建筑結構應具有更強的穩(wěn)定性和可靠性。剪力墻作為提升建筑結構穩(wěn)定性及安全性的有效技術措施受到廣泛關注，業(yè)界對于剪力墻結構設計的應用探討也在不斷深入。但在實際的建筑工程結構設計過程中，由于工程情況不同，剪力墻結構細節(jié)和主要功能設計也不同，可能會出現(xiàn)設計不合理的情況。因此，有必要加強對于剪力墻結構設計的運用研究和分析。

1 工程概況

以某高層建筑工程項目為例，該項目為住宅樓，地上部分共32層，地下2層。結構主體高度為98 m，安全等級為二級，使用年限50 年，抗震等級為二級，抗震設防烈度為7 度。根據(jù)工程項目的實際情況，決定采用剪力墻結構形式。活荷載標準值如表1 所示。

表1 活荷載標準值

2 剪力墻結構設計類型

2.1 按洞口大小分類

剪力墻結構設計過程中需要開設門窗洞口，主要包括以下幾種類型。一是整體剪力墻。墻面不存在洞口或者洞口很小，洞口面積不大于剪力墻總面積的15%，并且洞口間的凈距及洞口與墻邊的距離均大于洞口長邊尺寸，即為整體剪力墻[1]。二是整體小開口墻。門窗洞口開口面積超過總面積的15%。三是聯(lián)肢剪力墻。此類型剪力墻上存在一列或者多列大洞口，洞口面積為整體墻面面積的30%～50%，一列洞口的墻體稱為雙肢剪力墻，多列洞口的墻體稱為多肢剪力墻。四是壁式框架。壁式框架指剪力墻洞口尺寸較寬大，總面積超過墻體面積的50%，墻肢寬度相對較小。剪力墻結構類型如圖1 所示。

圖1 剪力墻結構類型（來源：網(wǎng)絡）

2.2 按墻肢截面高厚比分類

按照墻肢截面的高度和厚度比值進行劃分，主要包括小墻肢、短肢剪力墻以及普通剪力墻3 種，其墻肢截面高厚比分別為不大于4、4 ～8 以及8 以上。

3 剪力墻布置原則

（1）高層建筑結構設計中，由于短肢剪力墻剪切變形較大，會使整體結構較柔，因此建議優(yōu)先選用整體系數(shù)接近的聯(lián)肢剪力墻。

（2）合理布置剪力墻，保障墻肢長度合理。在進行剪力墻設計時，應沿主軸或其他方向進行雙向設計，避免墻肢過長或者過短，導致結構容易受到地震破壞或者抗側剛度下降，影響結構抗震性能。

（3）墻面門窗洞口設計簡單、均勻、整齊，以免影響結構抗震性能。尤其是抗震等級為一級、二級、三級時，應避免設計疊合錯洞墻面，盡量保持洞口處于同一直線。

（4）為保障剪力墻的穩(wěn)定性，結構設計過程中，應以矩形、T 形以及L 形剪力墻結構為主。

（5）避免削減開洞較多、較大的剪力墻外墻結構，以免發(fā)生扭轉效應[2]。

4 剪力墻在建筑工程結構設計中的應用要點

4.1 基礎承重構件設計

剪力墻結構的主要功能是保障建筑物在不同方向受力穩(wěn)定，而發(fā)揮此功能的主要部位為剪力墻結構的基礎和承重構件，確保剪力墻在承重以及抗震方面具有良好的性能。因此，在實際設計中應注重加強配筋率的計算和分析。通過對現(xiàn)場環(huán)境情況以及地質(zhì)條件的分析，并對建筑結構在水平及豎直方向上的受力情況進行研究，以此明確配筋率等相關指標的測算。在計算剪力墻配筋率的過程中，需要明確以下要求：第一，剪力墻各方向的配筋率應在0.25%以上。第二，部分框支剪力墻底部加強部位的配筋率應保持在0.3%以上。

對案例工程中的剪力墻配筋計算進行分析，在墻體內(nèi)側布置水平鋼筋，外側布置豎向鋼筋，在保障墻體高度符合工程設計需求的基礎上，進一步提升墻體結構的穩(wěn)定性與可靠性。此外，還需要結合實際情況分析現(xiàn)澆段和裝配式構件材料的占比，確保剪力墻外平面墻肢結構設計的科學性與合理性[3]。

4.2 剪力墻結構設計

為保障剪力墻結構的優(yōu)勢，充分發(fā)揮抗震性能，在進行剪力墻結構設計的過程中，應加強對結構剛度和應力數(shù)據(jù)等方面的控制。結合案例工程實際情況，在進行剪力墻結構設計的過程中應展開雙向設計，對于固定墻肢的長度要求較高，因此在進行剪力墻參數(shù)測算過程中，應從剛度中心位置展開，以保障墻肢長度設計及相應連梁高度設計的合理性。此外，為保障數(shù)據(jù)測算準確，需要加強剪力墻結構剛度中心與建筑結構中心之間的偏差控制，若二者偏離較大，為了保障建筑結構的穩(wěn)定性與安全性，還需要對剪力墻墻肢和連梁參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整。同時，還應對墻體高厚比進行計算分析，對于高厚比小于4 的情況，需要采取柱結構設計方法 ；對于高厚比等于4 的情況，則需要采取異形柱結構設計方式，按雙面受壓結構進行設計。

由于不同高度建筑結構的特點不同，中低層剪力墻的承載力和平面剛度通常較強，但平面外的承載力及剛度卻較弱。因此，在結構設計過程中，需要合理設計平面外的梁結構，以有效優(yōu)化梁肢平面的彎距參數(shù)。另外，剪力墻的自振周期較短，抗側剛度較強，導致發(fā)生地震時建筑結構需要承受很大的水平地震作用，可能會對整體結構性能產(chǎn)生不良影響。為減少水平剪力影響，可采取適當縮減墻體厚度、減少墻體數(shù)量等方式，降低建筑結構自重，提升結構抗側移剛度。

4.3 連梁結構設計

當建筑受到水平荷載時，墻肢會發(fā)生彎曲變形，使得連梁端部產(chǎn)生轉角，降低墻肢抗震性能。為保障結構穩(wěn)定性，需要合理設計連梁。

（1）連梁剛度設計。剪力墻墻肢有較大的剛度，在水平力作用下，剪力墻產(chǎn)生較大內(nèi)力，進而引發(fā)連梁裂縫，降低結構剛度。因此，剪力墻設計過程中，在滿足結構穩(wěn)定性要求的前提下，可結合實際情況適當折減連梁剛度。在分析連梁剛度折減時，折減系數(shù)與結構設防烈度間的關系緊密。若設防烈度較低，則連梁剛度折減系數(shù)較大，反之則會導致折減加大；為保障連梁承載力符合要求，折減系數(shù)應大于0.5[4]。

（2）洞口寬度設計。優(yōu)化連梁剛度折減系數(shù)也可以通過調(diào)整剪力墻洞口寬度進行控制，可結合實際設計需求適當增加洞口寬度，以達到降低結構剛度的效果，實現(xiàn)對結構地震作用的有效控制。

（3）剪力墻厚度設計。案例工程為高層建筑，對于荷載要求較為嚴格。經(jīng)過試驗分析，發(fā)現(xiàn)連梁的寬度與可承受荷載間存在正比關系，即隨著連梁寬度的增加，結構可承受的荷載也會有所提升。因此，為強化其抗震性能，可適當增加剪力墻厚度，以達到擴大連梁截面寬度的效果，保證結構剛度。此外，根據(jù)相關標準要求，對于抗震等級為一級、二級的建筑工程而言，在進行剪力墻設計過程中，為保證整體結構的承載力與穩(wěn)定性，需要加厚墻體的底部，使其達到200 mm 以上，其他部位的墻體厚度應在160 mm 以上。因此，在剪力墻設計過程中，應根據(jù)建設區(qū)域的實際情況及工程特點，合理進行墻體厚度的調(diào)控和設計，全面保障結構穩(wěn)定性。

經(jīng)過計算分析，案例工程中剪力墻結構的相關參數(shù)及取值如表2 所示。

表2 剪力墻結構的相關參數(shù)及取值

4.4 抗震防御性能設計

剪力墻結構抗震防御性能設計要點如下。

（1）明確建筑基本信息。事先進行場地地基分析，并結合當?shù)氐牡卣鹛攸c合理確定抗震設計等級。通過對地震加速度、周期以及土層情況等方面的分析，最終確定案例工程的抗震等級為二級。加強對于當?shù)仫L荷載、地質(zhì)情況等的分析，確定建筑層高設計及地基承載力范圍，合理選擇相應的地基基礎[5]。

（2）剪力墻平面布置。由于剪力墻結構的豎向荷載和水平荷載都由剪力墻墻體承受，因此剪力墻結構設計應沿主軸方向進行，盡可能確保結構簡單、對稱，避免后續(xù)出現(xiàn)建筑重心和剛度偏移過大的情況。剪力墻的墻肢長度應控制在8 m以內(nèi)，同時避免側向剛度比過大。

（3）抗震防線的設計。在建筑外邊緣、角點處墻肢以及底部外圍墻肢和連梁等薄弱部位，應加強抗震設計，如連梁長度應控制在6 m 以內(nèi)，墻肢長度超過8 m 應適當設置洞口等。

4.5 大墻肢設計處理

剪力墻結構設計時，為避免大墻肢結構對建筑結構產(chǎn)生不良影響，降低結構的穩(wěn)定性，需要在建模環(huán)節(jié)對其進行集中分析和處理，以此明確剪力墻結構設計過程中存在的隱患，合理優(yōu)化結構設計方案。

（1）可通過適當開孔將長墻肢轉化為短墻肢，并在施工完畢后封堵孔洞，提高剪力墻結構的穩(wěn)定性，確保整體結構滿足建筑抗震設計要求。

（2）墻肢設計過程中，還可以在保障剪力墻結構承載力符合要求的基礎上，通過封層間隔方式將大墻肢結構劃分為多個獨立墻段，提升整體結構的穩(wěn)定性。

（3）對建筑四周墻體進行加固處理的過程中，可結合建筑結構情況調(diào)整大墻肢結構的空間位置，并合理優(yōu)化墻體的配筋設計，通過縱橫向力學分析調(diào)整裝配式構件及混凝土結構比例，以此保障長墻肢與短墻肢結構的承載力與剛度等均能滿足建筑結構的設計要求[6]。

5 結語

本文以實際高層建筑結構設計項目為例，針對其中剪力墻的實際應用原則及相應設計要點展開詳細探討，并總結了剪力墻設計過程中的重點。在建筑結構設計中應用剪力墻時，需要充分結合建筑設計要求以及結構特點，合理進行剪力墻結構、配筋數(shù)量、規(guī)格形式等方面的設計和調(diào)整，并加強各種情況下建筑結構的力學性能分析，以確保剪力墻結構的承載力能夠滿足設計要求，全面保障建筑結構的穩(wěn)定性與安全性。隨著對剪力墻結構特點以及設計要點的深入分析和探討，建筑結構設計水平將會進一步提升。