建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計要點分析

聶良珍

（廣州市設(shè)計院集團(tuán)有限公司，廣東廣州 510620）

0 引言

剪力墻作為一種由鋼筋混凝土墻板負(fù)責(zé)承受水平力與作用力的建筑結(jié)構(gòu)型式，具備十分優(yōu)異的承載性能與空間分割作用，在現(xiàn)代建筑工程中得到廣泛運用，有利于提高工程綜合效益。與此同時，隨著工程建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，以及建筑總高度的增加，對剪力墻結(jié)構(gòu)性能提出了更高要求。在這一工程背景下，如何持續(xù)提高剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計水準(zhǔn)，是當(dāng)前一項重要課題，本文就此開展研究。

1 建筑工程剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計概述

1.1 剪力墻結(jié)構(gòu)種類

在現(xiàn)代建筑工程中，根據(jù)洞口留設(shè)情況與形狀相對位置等因素，可以將剪力墻結(jié)構(gòu)劃分為整面剪力墻、小開口剪力墻、壁式框架以及聯(lián)肢剪力墻4 種，各類剪力墻結(jié)構(gòu)的組成情況、受力特點與適用范圍存在明顯差異。

（1）整面剪力墻為墻身上未預(yù)留洞口，或是墻壁總面積中開洞面積占比在15%以內(nèi)的剪力墻，這類結(jié)構(gòu)有著以彎曲變形為主的受力特點，可將其視為一種基礎(chǔ)上坐落深梁的結(jié)構(gòu)形式。

（2）小開口剪力墻是在墻身上預(yù)留一定數(shù)量的洞口，開洞面積略大于整面剪力墻開洞面積，開洞面積占比保持在15%～30%區(qū)間內(nèi)，要求在墻身上規(guī)律性排列洞口，這類剪力墻的受力特點、抗震性能與整面剪力墻基本一致。

（3）壁式框架是在墻身上按順序排列預(yù)留尺寸較大洞口，有著洞口尺寸超過聯(lián)肢、墻肢寬度較小、連梁線剛度和剩余墻肢線剛度基本一致的結(jié)構(gòu)特點，這類結(jié)構(gòu)以剪切變形為主，受力特點與框架結(jié)構(gòu)高度相似。

（4）聯(lián)肢剪力墻是在墻身上成列布置面積大于小開口洞口的剪力墻結(jié)構(gòu)，因布置洞口而破壞墻身截面整體性，使整體性墻身被分解為若干連梁約束墻肢，但并未改變結(jié)構(gòu)整體受力特點。

1.2 設(shè)計優(yōu)勢

相較于框架結(jié)構(gòu)等建筑結(jié)構(gòu)型式，剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)勢主要體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)性、連續(xù)性、穩(wěn)定性與規(guī)則性4 個方面。

（1）在經(jīng)濟(jì)性方面，剪力墻結(jié)構(gòu)的鋼筋用量較少，綜合施工成本略低于框架式梁柱等結(jié)構(gòu)型式，設(shè)計人員還可采取使用輕質(zhì)隔墻材料、減少剪力墻布置數(shù)量與厚度等措施，在滿足建筑使用需求、保障結(jié)構(gòu)安全的前提下，進(jìn)一步降低建筑結(jié)構(gòu)造價成本。

（2）在連續(xù)性方面，雖然剪力墻結(jié)構(gòu)會從橫向和縱向方向?qū)⒔ㄖ覂?nèi)空間分割為若干功能區(qū)域，但各區(qū)域之間保持十分緊密的內(nèi)在聯(lián)系，相互關(guān)聯(lián)而組成整體結(jié)構(gòu)。簡單來講，剪力墻結(jié)構(gòu)具備良好的整體性與空間作用。

（3）在穩(wěn)定性方面，剪力墻在結(jié)構(gòu)承載、抗側(cè)力等方面的表現(xiàn)由于框架結(jié)構(gòu)，具備較強(qiáng)的建筑支撐能力，極大提高了建筑物穩(wěn)定性，因而多用于建造高層建筑。

（4）在規(guī)則性方面，剪力墻結(jié)構(gòu)強(qiáng)調(diào)于體現(xiàn)規(guī)則性來保證功能區(qū)域劃分的合理性，一般情況下，設(shè)計人員在建筑平面軸線方向上對稱布置剪力墻，必要時對收縮力較大等特殊部位墻身鋼筋分布情況進(jìn)行調(diào)整即可[1]。

1.3 設(shè)計原則

在建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)，為充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)功能效用，設(shè)計人員需要嚴(yán)格遵循調(diào)整樓層最小剪力系數(shù)、調(diào)整連梁超限、調(diào)整樓層間最大位移與樓層高比例3 項設(shè)計原則。

首先，調(diào)整樓層最小剪力系數(shù)原則，設(shè)計人員可采取大開間設(shè)計、增加剪力墻結(jié)構(gòu)剛度等措施，最大限度把各樓層間剪力系數(shù)控制在最小程度，這將起到提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與強(qiáng)化抗震性能的作用，確保建筑物遭受外部地震能量沖擊時，剪力墻底部結(jié)構(gòu)可以消除40%及以上震感。

其次，調(diào)整連梁超限原則，設(shè)計人員根據(jù)工程實際情況來計算最佳的剪力墻剪力與彎矩限度比，一般情況下通過調(diào)整剪力墻跨高比例與連梁跨比來保證剪力墻剪力與彎矩比不超過限度要求，同時，設(shè)計人員也應(yīng)從工程造價層面來考慮這一問題。

最后，調(diào)整樓層間最大位移與樓層高比例原則，在早期建筑工程中，為解決剪切變形問題，普遍選擇調(diào)整縱向構(gòu)件數(shù)量的方法，在合理范圍內(nèi)增加構(gòu)件數(shù)量而改變結(jié)構(gòu)減重比例，但會由此引發(fā)樓層扭轉(zhuǎn)問題。對此，設(shè)計人員需要適當(dāng)縮減樓層間扭轉(zhuǎn)角度、計算相鄰樓層的層高位移比是否在合理范圍內(nèi)，不得在樓層間僅設(shè)置少量構(gòu)件[2]。

2 不同布局的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法差異化對比分析

2.1 布局設(shè)計

建筑剪力墻結(jié)構(gòu)主要由剪力墻、梁、板等部分組成，不同部分的布局設(shè)計方法與要求存在明顯差異，具體如下。

（1）剪力墻布局設(shè)計。設(shè)計人員應(yīng)樹立合理范圍內(nèi)減少剪力墻數(shù)量、體現(xiàn)平面豎向規(guī)則性、把控剪力墻長度與取消無效邊緣構(gòu)件的設(shè)計思路，以此來確保剪力墻結(jié)構(gòu)具備足夠的抗側(cè)剛度與抗扭剛度，具體從均勻布置剪力墻、減少扭轉(zhuǎn)效應(yīng)、剛度均勻變化、平面內(nèi)軸壓比值相似方面著手。其中，均勻布置剪力墻是在各結(jié)構(gòu)平面單元中對稱布置剪力墻，要求剪力墻位于建筑平面主軸兩側(cè)，或是布置在有利于結(jié)構(gòu)承載的隔墻位置，一般情況下，把相鄰剪力墻間距控制在4.5～6m 以內(nèi)、剪跨比在2 以上，且各處剪力墻的長短墻比例保持均勻狀態(tài)，避免個別墻肢受外部作用力影響而率先破壞。減小扭矩效應(yīng)通過增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗扭剛度與控制結(jié)構(gòu)中心剛度來實現(xiàn)，主要采取計算建筑結(jié)構(gòu)中部剪力墻最佳數(shù)量、在合理范圍內(nèi)布置最少數(shù)量剪力墻的實現(xiàn)方法。剛度均勻變化是在建筑高度方向上均勻調(diào)整墻身厚度，非必要情況下不得在高度方向上出現(xiàn)剛度突變問題，并在底部加強(qiáng)區(qū)域內(nèi)增加墻厚值。平面內(nèi)軸壓比值相似是由設(shè)計人員使用PKPM 軟件，計算各套初步設(shè)計方案中的墻肢軸壓比數(shù)值，優(yōu)先選擇軸壓比值最小的設(shè)計方案，軸壓比值越小，則剪力墻布置越均勻，起到減小結(jié)構(gòu)自重、最大限度發(fā)揮剪力墻水平與豎向承載力的作用[3]。

（2）梁、板布置。設(shè)計人員盡可量對樓層梁傳力路徑進(jìn)行簡化處理，如果樓層梁布置數(shù)量過多，會增加傳力路徑復(fù)雜程度，造成多重傳力、影響建筑美觀與增加工程造價等后果，在隔墻開設(shè)小洞口或是樓板跨度較小情況下可以取消樓層梁。同時，綜合分析水電管線敷設(shè)需求、撓度等因素來計算最佳樓板厚度值，根據(jù)板厚來調(diào)整樓層梁間距。一般情況下，把樓層梁跨度控制在5m 以內(nèi)、樓板厚度控制在120mm 左右即可。

2.2 抗震設(shè)計

抗震性能是衡量建筑物安全系數(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量的一項重要指標(biāo)，在現(xiàn)代建筑工程中，對剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能提出嚴(yán)格要求，將抗震目標(biāo)設(shè)定為“小震不壞、中震可修、大震不倒”。具體來說，要求剪力墻結(jié)構(gòu)遇到低于當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度地震災(zāi)害時不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破損問題，遇到和當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度相當(dāng)?shù)卣馂?zāi)害時的結(jié)構(gòu)破損程度在后續(xù)可修復(fù)范圍內(nèi)，遇到遠(yuǎn)超當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度地震災(zāi)害時不會在震中出現(xiàn)建筑物倒塌情況。

為增強(qiáng)建筑物抗震性能，設(shè)計人員需要在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中采取多道設(shè)防、延性結(jié)構(gòu)塑性變形、平面外穩(wěn)定性控制、平面對稱布置的措施。

（1）多道設(shè)防是在結(jié)構(gòu)體系中延伸設(shè)置多道抗震防線，如把連梁與剪力墻分別作為一道防線、二道防線，在上道防線被破壞后，由下道防線繼續(xù)抵抗地震作用，避免建筑結(jié)構(gòu)受損嚴(yán)重。

（2）延性結(jié)構(gòu)塑性變形是通過增加剪力墻與樓層梁等構(gòu)件延性、保持節(jié)點承載力超過構(gòu)件承載力，使剪力墻結(jié)構(gòu)具備良好延性，建筑物在遭受地震能量沖擊時可以耗散部分能量、由變形能力抵抗地震作用。

（3）平面外穩(wěn)定控制是采取沿梁軸方向設(shè)置扶壁柱、保持墻肢與平面外方向樓面梁相互連接狀態(tài)、減小梁端部彎矩對墻彎矩等措施，通過控制平面外彎矩值來維持平面外結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）平面對稱布置是在剪力墻結(jié)構(gòu)平面方案中在軸線兩側(cè)對稱布置剪力墻等構(gòu)件，保持質(zhì)量和剛度中心接近狀態(tài)、平面剛度均勻狀態(tài)，以此來消除結(jié)構(gòu)抗震薄弱部位、控制震中建筑物扭轉(zhuǎn)程度[4]。

2.3 邊緣構(gòu)件設(shè)計

在邊緣構(gòu)件設(shè)計環(huán)節(jié)，重點掌握配筋設(shè)計、超筋處理梁兩方面的設(shè)計要點。

首先，在配筋設(shè)計方面，將邊緣構(gòu)件分為約束邊緣構(gòu)件與構(gòu)造邊緣構(gòu)件兩種。以構(gòu)造邊緣構(gòu)件為例，位于建筑結(jié)構(gòu)體系的底部加強(qiáng)部位和其他部位，遵循《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010），根據(jù)建筑抗震等級來確定縱向鋼筋最小量、箍筋最小直徑值與豎向最大間距值。在一級抗震建筑工程中，要求底部加強(qiáng)部位的縱向鋼筋量不得低于1%構(gòu)件截面積、箍筋直徑值不得小于8mm、箍筋豎向間距值不得超過100mm；其他部位的縱向鋼筋量不低于0.08%構(gòu)件截面積、箍筋直徑不小于8mm、箍筋豎向間距不超過150mm。

其次，在超筋處理方面，如果在剪力墻結(jié)構(gòu)計算結(jié)果中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)梁彎矩設(shè)計值超出梁身極限承載能力、混凝土梁相對受壓區(qū)高度超限、梁身縱向受拉鋼筋配筋率超過2.5%等問題時，即可表明建筑剪力墻結(jié)構(gòu)超筋，要求設(shè)計人員根據(jù)問題類型來采取相應(yīng)處理措施。例如，在剪力墻結(jié)構(gòu)水平超筋、剪力墻抗剪情況異常時，需要采取加密水平筋間距的處理方法。而在剪力墻連梁超筋時，主要原因是剛度超標(biāo)、抗剪不足，可以采取折減連梁剛度、減少連梁高度以及增加洞口尺寸的處理措施[5]。

2.4 墻肢構(gòu)造設(shè)計

在剪力墻墻肢構(gòu)造設(shè)計環(huán)節(jié)，設(shè)計人員應(yīng)重點掌握截面厚度設(shè)定、底部加強(qiáng)部位高度設(shè)計、墻肢配筋3方面的設(shè)計要點。

（1）截面厚度設(shè)計方面，綜合分析建筑抗震等級、剪力墻所處部位、剪力墻種類等因素來確定剪力墻截面厚度最小值。例如，對于抗震等級為一級、二級的建筑工程，要求加強(qiáng)部位剪力墻截面厚度在層高/墻肢長1/16 以上、最小不得低于200mm，其他部位墻身截面厚度在層高/墻肢長1/20 以上、最小不得低于160mm。而在建筑結(jié)構(gòu)體系中設(shè)置一字型剪力墻時，要求底部加強(qiáng)部位和其他部位的剪力墻截面厚度在220mm 和180mm 及以上。

（2）底部加強(qiáng)部位高度設(shè)計方面，普遍選擇把底部存在出現(xiàn)塑性鉸現(xiàn)象高度范圍當(dāng)作底部加強(qiáng)部位，起到強(qiáng)化剪力墻結(jié)構(gòu)受剪承載力的作用。為保證建筑總體結(jié)構(gòu)具備優(yōu)異抗傾覆能力與彈塑性變形能力，設(shè)計人員應(yīng)以地下室頂板作為起點，延伸至計算嵌固端，將地下室頂板-嵌固端之間作為底部加強(qiáng)部位，或是將1/10 墻肢豎向總高度作為底部加強(qiáng)部位高度。

（3）墻肢配筋方面，綜合分析建筑抗震等級、結(jié)構(gòu)部位、墻身種類等因素來確定剪力墻配筋率最小值，如果配筋率不達(dá)標(biāo)，建筑結(jié)構(gòu)在使用期間有可能出現(xiàn)開裂等質(zhì)量通病，存在安全隱患。以普通剪力墻結(jié)構(gòu)的水平向與豎向鋼筋為例，要求抗震等級為一級、二級與三級建筑物的剪力墻水平向、縱向鋼筋配筋率在0.25%及以上，抗震等級為四級的建筑物剪力墻配筋率在0.2%以上即可。

2.5 連梁設(shè)計

在建筑剪力墻結(jié)構(gòu)中，連梁起到保證結(jié)構(gòu)高度、控制結(jié)構(gòu)側(cè)移量等重要作用，但在設(shè)計期間偶爾出現(xiàn)連梁過度抗剪的問題。因此，為預(yù)防此類問題出現(xiàn)，設(shè)計人員需要在連梁設(shè)計環(huán)節(jié)掌握增加梁身截面積、調(diào)整設(shè)計應(yīng)力兩項要點，確保連梁功能作用得到充分發(fā)揮。首先，增加梁身截面積，在合理范圍內(nèi)適當(dāng)增加梁身截面積，以此來強(qiáng)化連梁抗剪能力。同時，根據(jù)工程實際情況來選擇截面積增加方式，優(yōu)先增加梁高，在保持連梁寬度固定狀態(tài)下有效增加梁身截面積，必要時也可采取擴(kuò)大梁寬的方式，但不會明顯提高連梁剛度。其次，調(diào)整設(shè)計應(yīng)力，此項方法適用于改變梁截面積無法優(yōu)化抗剪承載性能的情況，設(shè)計人員人為降低連梁剛度來調(diào)整結(jié)構(gòu)剪切力分配方案，如調(diào)整連梁剛度折減系數(shù)。

2.6 經(jīng)濟(jì)性設(shè)計

目前來看，建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的造價成本較高，建筑企業(yè)承擔(dān)較大的資金壓力，工程經(jīng)濟(jì)效益也存在優(yōu)化提升空間。因此，為幫助建筑企業(yè)取得理想工程收益，在保障建筑使用安全與結(jié)構(gòu)性能達(dá)標(biāo)的前提下，設(shè)計人員需要做好經(jīng)濟(jì)性設(shè)計工作，具體采取選用輕質(zhì)隔墻、優(yōu)化剪力墻平面布局、減輕結(jié)構(gòu)自重、控制剪力墻配筋率等手段。例如，在建筑結(jié)構(gòu)中設(shè)置陶粒砌塊、泡沫混凝土填充料等材質(zhì)的輕質(zhì)隔墻，并在隔墻內(nèi)嵌入少量高強(qiáng)度等級鋼筋，從而起到減少造價成本、減輕結(jié)構(gòu)自重量、減輕建筑結(jié)構(gòu)震中破損程度等多重作用。剪力墻平面布局優(yōu)化是在保證剛度與承載性能達(dá)標(biāo)情況下，適當(dāng)增加相鄰剪力墻間隔距離來節(jié)省用量成本，優(yōu)先選用一字型與T 形等形狀簡單、易于操作的剪力墻來降低作業(yè)難度、減少施工成本。

3 結(jié)語

綜上所述，在現(xiàn)代建筑工程中，剪力墻結(jié)構(gòu)型式展露出廣闊應(yīng)用前景，也是高層建筑工程首選結(jié)構(gòu)型式之一。建筑企業(yè)與設(shè)計人員理應(yīng)提高對建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的重視程度，明確設(shè)計原則，切實掌握布局設(shè)計、抗震設(shè)計、邊緣構(gòu)件設(shè)計、墻肢構(gòu)造設(shè)計、連梁設(shè)計、經(jīng)濟(jì)性設(shè)計等要點，為工程建設(shè)質(zhì)量提供有力設(shè)計保障，順利達(dá)成預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。