建筑結構設計中的剪力墻結構設計

王慶曉

（太原市建筑設計研究院，山西 太原 030002）

0 引言

近年來，建筑領域廣泛應用的建筑結構設計形式之一就是剪力墻結構，原因在于該種結構利于建筑綜合性能的大幅提提升。但從當下建筑行業(yè)剪力墻結構設計情況來看，尺寸及安裝位置等方面的統一規(guī)范與標準尚未形成，設計工作開展時主要是以設計人員經驗為依據，導致不同建筑結構中的剪力墻結構設計、安裝有一定差異存在，且一些安全隱患也難免存在其中。為切實改善該方面不足，設計人員要切實了解、熟悉剪力墻結構設計要點，為該結構的設計與建筑項目施工建設要求相符保駕護航。本文先分析了剪力墻主要特征，之后探討了設計原則，在此基礎上詳細闡述了剪力墻結構的具體設計，僅供參考。

1 剪力墻的主要特點

1.1 剛度特點

在外部強力沖擊剪力墻結構的情況下，會在一定程度上影響其剛度[1]。為規(guī)避這方面問題，相關工作人員要與具體情況相結合，進行對應抗震等級的設計，之后開展對照操作，確保采取的抗震方式最有效，進而促進建筑穩(wěn)定性、安全性的提升，使事故發(fā)生概率最大限度降低。

1.2 受力特點

剪力墻結構和地面呈現的狀態(tài)是以完全垂直為主，而針對懸梁臂部分來說，一旦受外部較強作用力影響，變形情況極易出現，也會向剪形方面逐步演變[2]。面對此種情況，剪力墻結構可對水平方向傳遞而來的壓力進行有效承受，而正是因為剪力墻結構具備這一特征，所以剪力墻與其他結構相比具有更高的穩(wěn)定性。

1.3 抗震特點

有效控制框架結構、剪力墻結構剛度，利于建筑自身穩(wěn)定性的顯著增強，可保障建筑整體的抗震效果進一步提高。剪力墻結構的抗震特征十分顯著，在面對突發(fā)地震災害時，通過剪力墻結構作用的充分發(fā)揮，有效降低地震災害所造成影響，也能為人民安全生活生產提供維護作用。

2 剪力墻結構的設計原則

2.1 確定合適寬度和高度

設計剪力墻結構的過程中，應以相關建設標準為參照依據規(guī)范、有序開展，而為了保障其整體性能夠進一步提高，具體施工建設環(huán)節(jié)，一般需要以實際需求、工程需求為依據，科學有效調整其高度、寬度[3]。具體而言，在建筑高度設計科學、合理、恰當的情況下，利于各結構力所產生影響的穩(wěn)定承載，而在設計環(huán)節(jié)，一旦有高度較高、但厚度較小的問題存在，必須調整墻體高度及厚度比，切實規(guī)避雙向受壓時影響建筑穩(wěn)定性的現象。

2.2 調整和優(yōu)化設計系數

對于剪力墻結構的整體設計來說，其與多方面參數信息密切相關，需要設計人員有效處理工程實際所需的各種數據，同時也可借助公式來調整相關系數，確保其與工程實際需求相符。在調整基本系數的過程中，應以系數調整原則為立足點，合理設計剪力墻，確保剪力墻抗震性能的有效提高。

2.3 遵循因地制宜的原則

建筑結構設計與施工建設環(huán)節(jié)，必須以因地制宜的原則為參照依據，與具體地質情況及地貌結構等因素相結合，開展綜合考量工作，確保建筑整體性能有效提高[4]。為實現上述目標，實踐設計環(huán)節(jié)要與實際需求相結合，合理設計其豎向結構，切實規(guī)避傳統設計中出現的剪力比重失調現象，有效防止建筑抗震能力下降現象的出現。

3 建筑結構設計中的剪力墻結構設計

3.1 剪力墻結構布置

在合理布局剪力墻結構的情況下，才能使該結構應有作用充分發(fā)揮。為實現合理布局目的，要以建筑結構特征、建筑使用功能為參照依據，科學合理地選擇、布置剪力墻。具體設計環(huán)節(jié)，應盡可能在建筑物端部及轉角、平面突出、荷載較大位置布置剪力墻，例如，山墻及電梯間等部位。與此同時，布置剪力墻結構的過程中，要為雙向平面分布均勻提供保障，基于間距的合理性為前提，為達到地震作用扭轉效應的有效減少目的，應盡可能重合平面剛心、重心。剪力墻結構的截面布置形式可采用I、L、T形的組合墻，實踐布置環(huán)節(jié)，一字墻設計的現象應盡可能減少，也不宜過多應用短肢墻，如此才能保障剪力墻結構穩(wěn)定性、延性要求得到充分滿足[5]。剪力墻結構的優(yōu)勢為承載力、平面剛度十分突出，但值得注意的是，剪力墻結構并不具備較強的平面外承載力，在設計環(huán)節(jié)如果直接連接平面外方向梁和剪力墻，可能會加大墻肢平面外彎矩。為規(guī)避該方面現象的出現，可在樓面截面不大的前提下，選用半剛接設計法，使墻肢平面外彎距得到調整。

3.2 分析結構受力點

結構受力點具體分析的過程中，首先，考慮到剪力墻結構的形式特征，在具體設計該結構時，要在剪力墻結構的延性設計上提高重視程度，所以可基于提高延性措施的應用，使結構抗倒塌能力逐步增強。其次，在高層建筑設計軸向結構的過程中，要明確建筑結構所承受荷載的基本情況，因高層建筑往往會承受較大的豎向荷載、水平荷載影響，此時設計剪力墻結構能夠有效協調并抵抗豎向、橫向荷載，且即便受高強度水平荷載作用影響，也能將側移距離始終保持在合理范圍內。

3.3 剪力墻厚度設計

要統一剪力墻結構前后設計和高層建筑穩(wěn)定性設計，該環(huán)節(jié)需要設計人員基于剪力墻厚度要求的明確為前提，確保采用的厚度設計最為合理，在墻厚大于30cm的情況下，應將鋼筋設置在端部中間，同時箍筋應沿墻肢方向設置，確保剪力墻穩(wěn)定性、剛度、強度等要求得到充分滿足。除此之外，為了便于后續(xù)的施工建設，墻厚度設計的過程中，需要以結構層高最小值為依據，確保選擇的剪力墻結構厚度最合適。確定結構厚度的情況下，應明確剪力墻結構支撐點，如選擇剪力墻和剪力墻相交處、剪力墻和樓板相交處等為支撐點[6]。為保障高層建筑結構抗震要求得到充分滿足，需要整合建筑層數和施工材料進行綜合考量，進而在底層結構設計上加強力度，如果建筑物所處區(qū)域存在地震頻發(fā)現象，也要在底部剪力墻結構厚度上加強設計，確保有效提升建筑結構中的剪力墻結構設計水平。以國家相關規(guī)定要求為依據，如果建筑工程抗震等級為一級或二級，剪力墻底部加強部位厚度應控制大于20cm的范圍內；對于剪力墻其他結構厚度來說，應控制在不小于16cm的范圍內。如果剪力墻端頭無翼墻存在，此時其要比高層的1/12大。但值得注意的是，上述相關規(guī)定并非在所有建筑結構中都十分適用，需要與建筑實際情況及層高等相結合進行科學設計。

3.4 剪力墻配筋和邊緣構件

鋼筋配置環(huán)節(jié)，可將水平鋼筋放置在地面以上的外側部位，而內側則以豎向鋼筋的放置為主。通過計算能夠了解到，借助豎向筋可實現對地下配筋的控制，而在地下墻體內側進行水平筋布置，外側開展豎向筋布置操作，利于墻體剛度的提升。剪力墻承重構件設計過程，需要關注的重點就是墻體配筋率，該環(huán)節(jié)對于水平及豎直方向配筋率來說，應處在不低于0.25%的狀態(tài)中；而針對少數框支剪力墻結構底部加強位置配筋率來說，應處在不低于0.3%的狀態(tài)中。上述配筋要求應用在大長度和高度較高的剪力墻結構中，利于結構穩(wěn)定性的顯著提高。但值得注意的是，應用在低矮剪力墻結構中時，必須要反復確認、核實配筋率。

邊緣構件的應用，利于剪力墻進荷載承受能力的改善。一般來說，在剪力墻承載力增強40%的情況下，耗能效果會提升20%。具體應用邊緣構件的過程中，主要有3種可用構件類型，即特殊邊緣及構造邊緣、約束邊緣。借助設計優(yōu)化、改善剪力墻抗震延性時，實現方式主要為調整墻肢軸壓比或增設約束邊緣構件，這一過程應注意需要在軸壓比無法限制的情況息，方可使用構件，確保進一步改善剪力墻結構的抗震性[7]。借助約束邊緣構件控制墻肢受壓區(qū)高度時，實現方式為內部縱筋，該環(huán)節(jié)箍筋利于混凝土的約束，能使其極限應變能力有效增強，進而為墻肢始終保持在可靠的塑性變形能力狀態(tài)中提供保障，使地震問題得到良好應對。

邊緣構件布置的過程中，相關設計人員可借助SATWE軟件來分析、計算安裝配筋相關參數結構。具體來說，要以設計規(guī)范要求范圍為依據，借助計算的方式，將短肢剪力墻的一般區(qū)域所需配筋率、加強區(qū)域所需配筋率求出。小墻肢并不具備充足的受力性能，所以應限制其軸壓比，截面設計形狀應以框架柱為主，同時也要借助計算的方式，將一般區(qū)域、加強區(qū)域所用縱向鋼筋配筋率求出[8]。在墻體兩端分別為短肢、長肢的情況下，安裝配筋無法以長墻肢為參考，考慮到該方面問題，一方面可在計算配筋的過程中，不對短肢剛度、短之配筋后的變化情況進行考慮；另一方面，可在計算剛度時，對短肢的影響進行考慮，但無須在配筋對短肢的影響上進行考慮。

3.5 過渡層的設計

在剪力墻結構有過渡層或轉換層存在的情況下，如底層框架結構，此時針對過渡層剪力墻墻體來說，受到的傾覆力距和剪力最為嚴重，所以存在不利受力影響。除此之外，因伴隨豎向均勻荷載，所以過渡層部分會始終受拉建立或壓剪力影響，且該環(huán)節(jié)如果同時伴隨一定水平荷載，該部分墻體對比常規(guī)落地墻體來說，水平荷載力和抗裂性能就會處在較差的狀態(tài)中[9]。研究表明，在伴隨一定豎向、反復水平力的情況下，過渡層墻體承載僅僅是預定的70%左右，在驗算其水平荷載力的過程中，如果選擇落地墻體法應用，此時如果其伴隨的托梁高跨比較小、豎向何載較弱，就會過高估計其抗震承載力，導致抗震可靠性受到影響。對此，過渡層設計環(huán)節(jié)，應基于圈梁等的對應設置開展設計工作，確保弱框體系及時形成，使其自身能夠傳遞地震剪力，為其延性提供保障。

3.6 連梁設計

連梁利于剪力墻結構剛度的強化，連梁的截面較大、跨度較小，其缺陷為抗剪強度低，且在超出設計強度時，彎曲破壞問題會隨之出現。連接墻肢是連梁主要承擔的作用，因在強大水平負荷作用的影響下，墻肢會有彎折現象發(fā)生，最終給連梁的平直度造成影響，導致墻肢整體結構穩(wěn)定性遭到破壞，此時基于墻肢受力情況的改善，能使墻肢彎折現象得以切實規(guī)避，所以說連梁設計合理性與否會給剪力墻結構整體性能帶來一定影響。在開展連梁設計工作時，相關設計人員面臨的一個常見難題就是地震作用下剪力和彎距控制，此時如果單純采用連梁高度提升的設計方式，會進一步增加配筋值，所以可借助連梁剛度的降低、混凝土等級的增強等方式達到設計的優(yōu)化目的[10]。具體來說，設計人員為充分滿足設計需求，可采用連梁剛度折減方式，而調整連梁剛度時，實現方式主要是調整跨度及截面高度、設置水平縫等，其中截面高度的降低會縮小抗剪截面，所以不具備較強的實用性；而跨度的提升，利于抗剪性能的增強，但不會提高其剛度，這一過程要想借助跨度的提升來調整連梁剛度，需同步開展剪力墻加厚施工作業(yè)，但此種方式并不具備較高的經濟性，同時也會給建筑功能性帶來影響，所以需要設計人員借助水平縫的設置，使連梁向雙連梁方面轉化，借此擴增連梁截面寬度，使連梁超限問題得到有效解決。

4 結語

剪力墻結構利于建筑抗風及抗震能力的顯著增強，也能切實延長建筑使用壽命。在剪力墻結構體系中，無梁、柱等外漏和凸出情況，可便于室內環(huán)境的布置。目前，剪力墻結構已經全面普及、推廣應用到現代建筑結構中，雖然說該種結構的優(yōu)勢十分突出，但需要注意的是，該結構并非適用于所有建筑類型，所以建筑結構設計中的剪力墻結構設計環(huán)節(jié)，相關設計人員要整合可能會影響剪力墻結構的各項因素，進而進行全方位、多角度的考量，以工程實際情況為依據進行科學設計，如此才能保證該種結構優(yōu)勢作用得到最大發(fā)揮。