建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

王志軍

（晉城合為規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 山西 晉城 048000）

隨著科技水平的提高和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，現(xiàn)代高層建筑的作用越來越復(fù)雜， 對(duì)其結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。 常規(guī)的框架結(jié)構(gòu)已無法適應(yīng)工程的發(fā)展， 為保證建筑的安全， 不斷地打破建筑的總高度，采用剪力墻結(jié)構(gòu)是高層建筑的主要方向。 因此， 在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中會(huì)出現(xiàn)很多難點(diǎn)。

1 剪力墻結(jié)構(gòu)概述

1.1 關(guān)于剪力墻的內(nèi)涵

剪力墻是一種常見的結(jié)構(gòu)形式， 又叫抗震墻或結(jié)構(gòu)墻。 在建筑中， 剪力墻是一種重要的工程技術(shù)，它主要用于承受風(fēng)荷載或在地震作用下的水平載荷。根據(jù)洞口大小、 數(shù)量、 布置措施等因素， 可以將其分為多種類型。 一是一體墻， 即在門窗開口面積合計(jì)小于剪力墻面積15%， 而開口長(zhǎng)度小于洞口與墻體的凈間距， 即整體墻體。 二是框支剪力墻， 當(dāng)?shù)讓有枰^多的空間時(shí)， 可以采用框架結(jié)構(gòu)來支撐上部剪力墻。 在地震高發(fā)區(qū)， 單用框支剪力墻結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)者在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不適宜的。 三是采用壁型結(jié)構(gòu)， 其孔徑較大， 且連接梁的線型剛度與墻肢線剛度相近的墻體叫做壁型結(jié)構(gòu)[1]。

1.2 運(yùn)用剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則

在設(shè)計(jì)中， 剪力墻的高、 寬等尺寸稍大， 其受力狀況和墻身構(gòu)造與其它構(gòu)件有不同之處。 因此，在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)， 應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特性， 對(duì)其高度、 寬度、 跨度等進(jìn)行精確的分析與計(jì)算， 并在綜合考慮各種因素后， 確定最終的比例。其次， 在實(shí)際計(jì)算中， 從平面上看， 剪力墻在平面內(nèi)具有很高的剛性和較好的承載力， 但在平面以外，它的剛性和承載力會(huì)下降。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

剪力墻結(jié)構(gòu)是由鋼筋混凝土墻取代傳統(tǒng)的框架梁和框架柱， 在一定程度上控制了建筑物的水平力，從而確保了建筑物的穩(wěn)定。 剪力墻結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn): 第一， 具有很高的穩(wěn)定性。 在剪力墻結(jié)構(gòu)中，一般采用的是鋼筋混凝土墻， 相對(duì)于傳統(tǒng)的框架梁和柱， 它具有更好的綜合性能和更好的支撐效果，對(duì)于增強(qiáng)建筑物的穩(wěn)定性具有很大的幫助。 第二，更經(jīng)濟(jì)。 在剪力墻結(jié)構(gòu)中， 鋼筋混凝土的用量較大，不需再填入鋼材， 減少鋼材用量， 節(jié)約投資， 提高設(shè)計(jì)成果的經(jīng)濟(jì)效益。 第三， 美觀度更高。 由于剪力墻結(jié)構(gòu)具有很好的抗側(cè)承載力， 可以根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整， 適用范圍更廣， 能適應(yīng)不同人群對(duì)建筑美觀的要求。 第四， 延續(xù)性更強(qiáng)。 剪力墻結(jié)構(gòu)不僅要確保建筑物的穩(wěn)定， 而且還能在一定程度上將建筑物分割開來， 這樣既能區(qū)分出建筑物的不同部位， 又能在某種程度上保持連續(xù)性。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則

3.1 控制高度與寬度的原則

在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)， 應(yīng)嚴(yán)格按有關(guān)規(guī)定來控制其高、 寬， 以確保其對(duì)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。 這就要求在設(shè)計(jì)時(shí)， 對(duì)建筑物的橫向和縱向的受力進(jìn)行分析， 并根據(jù)有關(guān)的建筑材料特性， 對(duì)其進(jìn)行有效的水平、 寬度控制。 剪力墻的寬度和高度都是合理的， 這樣剪力墻就可以充分利用它的功能， 提高它的防震能力和安全性。

3.2 控制剛度和延展性的原則

由于剪力墻的平面內(nèi)剛度和承載力都比較大，剪力墻結(jié)構(gòu)平面外的剛度和承載力都比較低。 因此，在設(shè)計(jì)時(shí)通過控制剪力墻與外梁間的搭接， 可以有效地改善剪力墻的外力和承載力， 從而改善其穩(wěn)定性。 同時(shí)， 在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)， 應(yīng)考慮到工程的具體特征及施工要求。

3.3 樓層最小剪力系數(shù)的調(diào)整原則

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)， 要注意盡量減少樓層間的剪切系數(shù)。 為了保證結(jié)構(gòu)良好的抗震性能， 應(yīng)從結(jié)構(gòu)的安全角度出發(fā)， 確定其水平地震剪應(yīng)力要比樓層最小。 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)， 應(yīng)考慮將剪力最小化， 最大限度地增加設(shè)計(jì)室內(nèi)的空間， 以達(dá)到合理的水平剛度， 并將其綜合考慮， 得出樓層最小剪系數(shù)。 另外， 在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中， 應(yīng)盡可能地減少結(jié)構(gòu)的自重， 減少工程成本， 并對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行優(yōu)化。為了提高結(jié)構(gòu)的抗震性能， 提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，剪力墻的剪力系數(shù)必須根據(jù)結(jié)構(gòu)的抗震要求來確定。在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度設(shè)計(jì)時(shí)， 為了有效地控制剪力系數(shù)， 常需要將傾覆力矩、 內(nèi)力和位移相應(yīng)調(diào)整。 希望整體結(jié)構(gòu)能夠更好地發(fā)揮抗震作用，提高整體結(jié)構(gòu)的安全， 提高剪力墻的設(shè)計(jì)水平。

3.4 樓層間位移調(diào)整原則

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中， 應(yīng)注意控制層間的扭轉(zhuǎn)和剪力。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中， 必須遵守最大層位移與層高之比的原則， 在進(jìn)行最優(yōu)調(diào)整時(shí)， 必須按設(shè)計(jì)原理進(jìn)行垂直構(gòu)件的排列， 否則會(huì)導(dǎo)致層間的扭轉(zhuǎn)變形增大， 導(dǎo)致層間位移不能滿足要求。 在高層建筑中，應(yīng)盡量減小其扭轉(zhuǎn)變形， 而不應(yīng)盲目地添加豎向構(gòu)件。 如果只是一個(gè)方向上的層間位移不能滿足， 則可以通過減小這一方向上的構(gòu)件的剛度來減小其剪力比， 從而獲得更好的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3.5 連梁調(diào)整原則

連梁是將墻腿和墻腿聯(lián)結(jié)在一起的一種梁。 盡管是橫梁， 但是橫梁的跨徑要比橫梁大得多。 在進(jìn)行施工設(shè)計(jì)時(shí)， 必須遵守連梁跨高比的調(diào)節(jié)原理。當(dāng)跨高比超過5 時(shí)， 一般出現(xiàn)彎曲失效； 而在跨高比小于5 的情況下， 其破壞形式以剪力為主。 彎曲斷裂屬于延性斷裂， 而剪切斷裂則比較危險(xiǎn)， 屬于垂直斜裂。 采用適當(dāng)?shù)拇胧?確保連梁的延性， 并對(duì)其跨高比例進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整， 以達(dá)到結(jié)構(gòu)抗震性能和造價(jià)的目的。

4 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)

4.1 剪力墻連續(xù)梁超筋的處理不規(guī)范

近年來， 剪力墻在高層建筑中得到了廣泛的應(yīng)用， 它使建筑物的最大容許高度得到了極大的提高。由于剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻在總造價(jià)中占有很大比例，且其施工工藝復(fù)雜， 若設(shè)計(jì)得不科學(xué)合理， 不僅會(huì)增加工程造價(jià)， 而且剪力墻的數(shù)目和布局不當(dāng)， 也會(huì)對(duì)房屋的安全和舒適度產(chǎn)生不利的影響。 在現(xiàn)代高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中， 建筑物的抗震性能是一個(gè)重要的指標(biāo)。 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中， 應(yīng)盡可能地保證系統(tǒng)的抗側(cè)剛度， 布置簡(jiǎn)單， 規(guī)則， 橫向剛度不能相差太大， 以免出現(xiàn)過度的動(dòng)態(tài)變化。 剪力墻結(jié)構(gòu)在整體地震傾覆力矩中的比例應(yīng)該得到合理的控制， 同時(shí)也要考慮框架與剪力墻的剪力分擔(dān)比例。 在滿足結(jié)構(gòu)抗震性能要求的情況下， 具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 剪力墻結(jié)構(gòu)定位不合理

在采用剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)， 應(yīng)考慮兩種結(jié)構(gòu)體系的最大高度。 剪力墻的厚度和高度都有嚴(yán)格的規(guī)定，其計(jì)算結(jié)果必須符合規(guī)范， 尤其要注意底部加強(qiáng)區(qū)的加強(qiáng)。 在框架剪力墻結(jié)構(gòu)中， 由于水平力的限制，底層框架結(jié)構(gòu)所承受的地震傾覆力矩和結(jié)構(gòu)整體的傾覆力矩比例存在很大差異。 在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)傾覆力矩之比， 來決定其對(duì)應(yīng)的適合高度及構(gòu)造要求。 在確定傾覆力矩比時(shí)， 需要根據(jù)框架和剪力墻的實(shí)際情況來確定。 在此基礎(chǔ)上， 結(jié)合剪力墻實(shí)際傾覆力矩的計(jì)算結(jié)果， 得出了框架結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震級(jí)別[2]。

在高層建筑的設(shè)計(jì)中， 應(yīng)采用剪力墻結(jié)構(gòu)。 在實(shí)際工程中， 應(yīng)按建筑物的布局， 在適當(dāng)?shù)牟课辉O(shè)置剪力墻， 以達(dá)到建筑物的正常使用和安全。

4.3 剪力墻結(jié)構(gòu)難以平衡

剪力墻結(jié)構(gòu)具有更大的抗震性能和最大可使用的高度， 但它的結(jié)構(gòu)成本卻很高。 許多建筑項(xiàng)目在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)， 往往存在著兩種不同的使用比例不能均衡的問題。 這使得在建筑設(shè)計(jì)中， 無論是造價(jià)還是安全性都很低， 所以， 合理地利用這兩種結(jié)構(gòu)成為了設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)。

5 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中難點(diǎn)的解決辦法

5.1 剪力墻連續(xù)梁超筋的處理

在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)， 應(yīng)考慮到彎矩、 剪切力的合理控制， 以達(dá)到設(shè)計(jì)要求， 避免連續(xù)梁的超筋問題。 在剪力墻結(jié)構(gòu)中， 一般會(huì)出現(xiàn)超過1/3的樓層的局部連梁超筋問題。 剪力墻的作用是導(dǎo)致剪力墻結(jié)構(gòu)變形的重要因素， 所以必須對(duì)梁段高度進(jìn)行嚴(yán)格的控制， 以達(dá)到科學(xué)化、 規(guī)范化的目的。為了提高剪力墻的抗震性能， 必須對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。 當(dāng)耦合梁在振動(dòng)作用下產(chǎn)生不同程度的表皮破壞時(shí)， 其穩(wěn)定性就無法得到保障。 并在此基礎(chǔ)上，對(duì)墻壁和四肢進(jìn)行了充分的分析， 通過科學(xué)的計(jì)算，得出最大的內(nèi)力值， 并對(duì)其進(jìn)行特殊的加固。

5.2 合理定位剪力墻結(jié)構(gòu)

要想從根本上改善剪力墻的安全與穩(wěn)定， 就必須合理地設(shè)置剪力墻。 在兩個(gè)軸線或其它方向上，都要設(shè)置成兩個(gè)方向， 這樣可以保證建筑的側(cè)向剛度。 在設(shè)計(jì)剪力墻時(shí)， 必須嚴(yán)格遵循有關(guān)規(guī)范， 以保證結(jié)構(gòu)的重心距形心越近越好， 從而有效地控制和限制扭轉(zhuǎn)。 剪力墻應(yīng)該是豎向?qū)R的， 結(jié)構(gòu)和底層的剪力墻避免布置發(fā)生突變。 剪力墻的孔洞布置要合理， 防止墻體剛性的過度變化， 剪力墻的內(nèi)向和外側(cè)選擇間距要保持在合理的范圍內(nèi)[3]。

5.3 剪力墻結(jié)構(gòu)難以平衡

1） 大墻肢的處理， 對(duì)于長(zhǎng)型剪力墻， 為了防止剪力墻在剪力作用下破壞墻體， 一般采用有針對(duì)性的方法進(jìn)行延伸性設(shè)計(jì)。 在剪力墻結(jié)構(gòu)中， 墻體的剪力主要是靠墻肢來承受， 因此必須采取相應(yīng)的措施來防止墻體的質(zhì)量問題。 所以， 在實(shí)際工程中，應(yīng)該先把長(zhǎng)壁肢張開， 再采用填充墻進(jìn)行砌筑， 使長(zhǎng)壁肢變?yōu)槎瘫谥?/p>

2） 墻體配筋， 在進(jìn)行剪力墻配筋時(shí)， 必須對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂疲?以確保其穩(wěn)定， 提高設(shè)計(jì)成果的經(jīng)濟(jì)利益。 剪力墻結(jié)構(gòu)不但具有數(shù)量大、 覆蓋面積大等特點(diǎn)。 并在此基礎(chǔ)上， 按計(jì)算配筋比例進(jìn)行設(shè)計(jì)。 采用雙向鋼筋網(wǎng)時(shí)， 其鋼筋間距不宜大于30 cm， 從而避免了墻體配筋時(shí)的資源浪費(fèi)。 在剪力墻平面內(nèi)方向上， 剪力墻的抗彎曲性能均較好。 在底部加強(qiáng)部位時(shí)， 應(yīng)對(duì)最小配筋率進(jìn)行調(diào)整。 根據(jù)有關(guān)規(guī)范和要求， 將鋼筋置于薄弱位置， 當(dāng)豎向鋼筋數(shù)量過多時(shí)， 應(yīng)及時(shí)調(diào)整其折減強(qiáng)度， 以保證其抗震能力[4]。

6 案例分析

6.1 工程概況

本工程樓層層數(shù)為24 層， 總高81m。 樓層主要功能為辦公和賓館， 一層到三層是商務(wù)辦公， 四層是設(shè)備層， 其它樓層是賓館， 地下一層是地下室。該工程的地震設(shè)防烈度為7 級(jí)， 場(chǎng)地類別屬于Ⅱ類。

6.2 主體結(jié)構(gòu)選型

由于該工程是一座24 層、 高81m的高層建筑，同時(shí)考慮到高層建筑的設(shè)計(jì)特征， 其主體結(jié)構(gòu)為雙向現(xiàn)澆鋼筋砼框架剪力墻。 結(jié)構(gòu)體系滿足了結(jié)構(gòu)的抗震、 抗風(fēng)、 抗重力、 抗風(fēng)等性能指標(biāo)， 結(jié)構(gòu)整體位移、 穩(wěn)定性、 節(jié)點(diǎn)延性等指標(biāo)均滿足。

6.3 樓蓋結(jié)構(gòu)選型及樓屋面板設(shè)計(jì)

鑒于其主要結(jié)構(gòu)為雙向現(xiàn)澆鋼筋砼框架剪力墻，故在結(jié)構(gòu)上宜選用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)， 以便與其配合。 結(jié)合建筑的平面布局， 考慮了樓蓋次梁的橫向布置， 在縱梁上支撐。 樓體面板為多跨連續(xù)板， 其中商用層厚度為120mm， 其它層為100mm。

6.4 剪力墻截面

該樓的剪力墻端柱與剪力墻的厚度， 如表1、 2所示。

表1 剪力墻端柱截面尺寸

表2 剪力墻厚度

6.5 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及構(gòu)造要求

本文以某工程中的框架剪力墻為實(shí)例， 對(duì)其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和構(gòu)造要求進(jìn)行了闡述。 在此基礎(chǔ)上， 在結(jié)構(gòu)剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻的截面設(shè)計(jì)中， 提出了一些基本的設(shè)計(jì)要求。

在此基礎(chǔ)上， 本文提出了一種基于剪力墻的剪力墻體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。 因此， 在此基礎(chǔ)上， 應(yīng)明確剪力墻結(jié)構(gòu)的最基本結(jié)構(gòu)， 以保證其最小的強(qiáng)度與延性， 同時(shí)， 在本項(xiàng)目中， 在剪力墻周圍布置的梁端立柱， 其配筋及截面尺寸也要滿足相關(guān)規(guī)范[5]。

7 結(jié)語

剪力墻結(jié)構(gòu)是當(dāng)今建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中普遍采用的一種形式， 隨著施工技術(shù)的不斷發(fā)展， 其應(yīng)用越來越廣泛。 剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要遵循一定的規(guī)范， 要結(jié)合工程的具體情況， 不能盲目地采用剪力墻結(jié)構(gòu)，要做到有針對(duì)性、 科學(xué)性， 要綜合考慮和分析各種影響因素， 保證設(shè)計(jì)的有效、 合理。