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

甘俊

安徽實(shí)華工程技術(shù)股份有限公司 安徽 合肥 230000

引言

在建筑墻體的設(shè)計(jì)中，應(yīng)善于運(yùn)用剪力墻結(jié)構(gòu)，特別是高層建筑的墻體。在進(jìn)行剪力墻施工的時(shí)候，采用滑膜技術(shù)和模板技術(shù)，提高了施工的效率，提高了施工的質(zhì)量。在混凝土剪力墻的澆筑中，大模板技術(shù)具有較高的技術(shù)水平，操作方便，抗震性強(qiáng)，整體性好。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)重視采用剪力墻結(jié)構(gòu)，以提高施工效率與建筑質(zhì)量。

1 剪力墻結(jié)構(gòu)概述

1.1 剪力墻結(jié)構(gòu)的概念和優(yōu)點(diǎn)

剪力墻結(jié)構(gòu)是以鋼筋混凝土剪力墻取代框架柱，使墻體能夠承受水平和垂直荷載，因此，提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)、抗震能力。由于剪力墻結(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)度、高剛度、高穩(wěn)定性，已被廣泛用于高層建筑。同時(shí)由于其經(jīng)濟(jì)、使用效果好、滿足人們的審美要求，剪力墻在高層建筑中的地位日益重要[1]。

1.2 剪力墻結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)

由于剪力墻在建筑或構(gòu)筑物中起到了很大的作用，能夠?qū)臻g進(jìn)行有效的劃分與維護(hù)，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上既要考慮結(jié)構(gòu)，又要考慮平面的雙重布置要求。與傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)相比，剪力墻具有較好的抗側(cè)承載能力，但同時(shí)也有一些缺陷。剪力墻的間距限制性很強(qiáng)，不能很好地應(yīng)用于大型建筑的設(shè)計(jì)。由于剪力墻本身質(zhì)量較高、靈活性較差，所以在小面積的住宅、公寓等建筑中應(yīng)用較多，而且作為建筑的主要承載構(gòu)件，不能任意改變或拆除，從而制約了居民的個(gè)性化空間要求[2]。

1.3 結(jié)構(gòu)分類

1.3.1 壁式框架剪力墻。墻式框架剪力墻的墻肢，連梁的剛度與墻體相似，且孔洞較大，這種剪力墻結(jié)構(gòu)在樓層處的彎矩會(huì)有很大的改變，大部分樓層處都會(huì)出現(xiàn)反彎點(diǎn)，而且大部分的變形曲線都是剪切型的。

1.3.2 整截面剪力墻。顧名思義，就是為了保證剪力墻的完整性，不會(huì)有洞口或者面積很小的洞口。這種剪力墻結(jié)構(gòu)在受力時(shí)，該結(jié)構(gòu)的剪力墻肢彎矩呈直線性正應(yīng)力分布，其變形曲線為彎曲型。

1.3.3 整體小開(kāi)口剪力墻。該結(jié)構(gòu)中的剪力墻在豎直方向上設(shè)有孔洞，盡管其開(kāi)口面積大于正截面剪力墻，但其仍屬于小面積孔洞，而且整個(gè)懸臂梁對(duì)其力學(xué)特性有很大的影響。墻肢自身的彎矩很小，存在著突變的可能性，但不存在倒彎點(diǎn)，并且，在截面上，正應(yīng)力是制線性的，其變形曲線為彎曲型。

1.3.4 連肢剪力墻。該結(jié)構(gòu)在豎向上設(shè)置孔洞，孔洞面積越大，墻體的剛度越大。如果有多個(gè)孔洞，就是多肢剪力墻。當(dāng)孔洞數(shù)量較少，面積較大時(shí)，為雙肢剪力墻。連肢剪力墻中的連梁會(huì)對(duì)墻體產(chǎn)生一定的限制，從而引起墻體的彎矩發(fā)生突變，產(chǎn)生一個(gè)反彎點(diǎn)，墻肢的局部受力作用使其正應(yīng)力分布呈現(xiàn)出非線性，其變形曲線為彎曲型。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)原則

剪力墻結(jié)構(gòu)具有美觀、經(jīng)濟(jì)、承載能力強(qiáng)、剛度高等特點(diǎn)，可有效地改善建筑物對(duì)水平荷載的抵抗能力，同時(shí)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性得到了有效的改善。但是，我國(guó)至今尚無(wú)統(tǒng)一的剪力墻設(shè)計(jì)規(guī)范，所以在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，必須遵循以下幾點(diǎn)[3]。

2.1 拉通對(duì)直

在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要注意使上下兩樓層剪力墻的門窗與洞口保持豎直方向上的對(duì)直，同時(shí)為了保證剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能，對(duì)傳力方式進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)。基于此，剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)沿軸線拉通對(duì)直，以防止產(chǎn)生交疊、錯(cuò)洞等問(wèn)題，從而降低整體結(jié)構(gòu)的整體性能。

2.2 雙向布置原則

在結(jié)構(gòu)的水平方向、豎直方向上設(shè)置剪力墻，可以使其的抗震性能得到進(jìn)一步的改善，同時(shí)也能保證其雙側(cè)抗側(cè)力。

2.3 豎向貫穿

合理的剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)該沿著垂直方向自上而下地貫穿整個(gè)結(jié)構(gòu)，如果在垂直方向上出現(xiàn)剪力墻結(jié)構(gòu)變動(dòng)，墻體的剛度和厚度都會(huì)隨之變化，進(jìn)而對(duì)建筑物的抗震性能產(chǎn)生一定的影響，這時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)剪力墻單元的剛度來(lái)增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)其對(duì)側(cè)剛度的抗性，從而避免由于剛度突變而帶來(lái)的不利影響。

2.4 洞口宜成排成列、上下對(duì)齊

洞口對(duì)剪力墻的承載力、剛度均有影響，但隨著剪力墻結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的增加，其承受的荷載越多，采用適當(dāng)?shù)拈_(kāi)洞可以有效地分擔(dān)荷載，采用弱梁將洞口連接，并將墻肢長(zhǎng)度限制在8m以內(nèi)。

2.5 與建筑高度適配

剪力墻結(jié)構(gòu)按洞口的設(shè)計(jì)分為：實(shí)體剪力墻、小開(kāi)口剪力墻、連肢剪力墻、壁式剪力墻等，并根據(jù)實(shí)際情況合理選用剪力墻，既能適應(yīng)建筑物的受力要求，又能適應(yīng)建筑物的高度要求。

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

3.1 承重構(gòu)件以及地基基礎(chǔ)方案的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮到水文地質(zhì)條件、周邊建筑分布、工程建設(shè)需求等諸多因素的影響因素，以保證其設(shè)計(jì)方案能夠與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)、協(xié)調(diào)發(fā)展。設(shè)計(jì)人員要根據(jù)建筑施工環(huán)境和相關(guān)規(guī)范的要求，應(yīng)對(duì)其承載構(gòu)件進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，從而保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性達(dá)到規(guī)范。為保證建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的承載構(gòu)件進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，以墻體的配筋率為重要指標(biāo)，豎直及水平方向的配筋率不能低于0.25%，框支剪力墻的底層加固部位配筋率不能低于0.3%。在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮地基基礎(chǔ)的重要性，注重對(duì)承重構(gòu)件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并根據(jù)自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和工程參數(shù)，科學(xué)地制定施工技術(shù)參數(shù)及建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以防止結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致的建筑安全隱患，同時(shí)，經(jīng)過(guò)多方論證，確保該設(shè)計(jì)方案的科學(xué)、可行[4]。

3.2 剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行雙向設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量使兩側(cè)的剛度保持一致，這樣才能在墻體內(nèi)產(chǎn)生空間結(jié)構(gòu)，尤其是在抗震設(shè)防區(qū)域。在設(shè)計(jì)時(shí)，盡量使墻體的平面分布均勻，使其剛性中心盡量接近建筑的中心，盡可能地減小其扭轉(zhuǎn)作用。當(dāng)剛度中心與建筑中心的偏差較大時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)墻體的長(zhǎng)度、連梁的高度來(lái)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的剛度中心。剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度高，自振周期短，抗水平地震作用大，因此，剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能將受到很大的影響。減少墻體厚度，增加主次結(jié)構(gòu)的剪力墻間距，減少墻體總數(shù)等措施來(lái)減少建筑結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量，增強(qiáng)建筑物的抗側(cè)移剛度。剪力墻結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)是其承載能力和平面剛度好，但它的平面外承載力和剛度都很低，若將平面外向梁與剪力墻直接相連，則會(huì)增加墻肢的平面外彎矩，為了解決這一問(wèn)題，可以采取半剛接的方法來(lái)調(diào)節(jié)墻肢的平面外彎矩。

3.3 大墻肢處理

在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)充分考慮其延展性，如果不合理地處理，將會(huì)對(duì)其穩(wěn)定、耐久性產(chǎn)生不利的影響。在保證剪力墻結(jié)構(gòu)的承載力條件下，可以將大跨度的剪力墻分為若干個(gè)單獨(dú)的墻段，以提高其穩(wěn)定性，防止由于外力的影響而導(dǎo)致整體剪力墻受到損害，為了達(dá)到這一目標(biāo)，可以在長(zhǎng)的剪力墻結(jié)構(gòu)上適當(dāng)?shù)亻_(kāi)洞，也就是說(shuō)，將長(zhǎng)墻肢改造成墻肢，然后在工程完工后進(jìn)行修補(bǔ)。

3.4 剪力墻厚度的控制與配筋

通常，剪力墻結(jié)構(gòu)的高、寬都是比較大的，但其厚度比較小，其受力特性與柱類似，主要是高厚比的差別，當(dāng)高厚比小于4時(shí)，可以參考柱進(jìn)行時(shí)設(shè)計(jì)；在高厚比為4左右時(shí)，可以參考異形柱的設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行雙向受壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.4.1 剪力墻結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)。按國(guó)家有關(guān)法規(guī)，若建筑工程抗震等級(jí)為一、二級(jí)，剪力墻結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)部分的厚度應(yīng)在2cm以上，其高度為層高的1/16，而剪力墻的其他結(jié)構(gòu)的厚度不能小于1.6cm；如果剪力墻結(jié)構(gòu)的末端沒(méi)有翼墻，那么應(yīng)大于層高的1/12。但有關(guān)規(guī)定并不能應(yīng)用于全部的建筑物，例如在設(shè)計(jì)中，當(dāng)樓層數(shù)為5～15的時(shí)候，這種情形下的剪力墻肢在重力作用下的軸壓比一般都在0.2以下，如果按規(guī)范計(jì)算，則底部功能要求3.9m的層高，墻體厚度至少2.4cm。如果存在這種情況，根據(jù)實(shí)際工程實(shí)際，設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)墻體的軸壓比進(jìn)行再設(shè)計(jì)，并對(duì)剪力墻的截面進(jìn)行強(qiáng)度校核，合理地確定鋼筋的配筋率，使其整體性能達(dá)到建筑要求。

3.4.2 墻體配筋率設(shè)計(jì)。我國(guó)已明確提出，在抗震等級(jí)為一二三級(jí)的剪力墻結(jié)構(gòu)中，其豎直與水平方向的最小配筋率不得低于0.25%，而在某些框支剪力墻的底部加固部位，其配筋率不得低于0.3%。這種方法適用于高度較高、長(zhǎng)度較長(zhǎng)的剪力墻結(jié)構(gòu)，可以明顯地改善其穩(wěn)定性，但在低層剪力墻結(jié)構(gòu)中，應(yīng)反復(fù)驗(yàn)證配筋率的合理性。

3.5 連梁的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

連梁主要起到支撐墻肢的功能，墻肢在承受較大水平荷載時(shí)會(huì)產(chǎn)生彎曲，這樣會(huì)對(duì)連梁的平直度產(chǎn)生一定的影響，導(dǎo)致整個(gè)墻肢的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。優(yōu)化墻肢的受力狀況可以避免墻肢的彎曲，因此，在實(shí)際工程中，合理的連梁設(shè)計(jì)也將極大地影響到剪力墻結(jié)構(gòu)的整體性能。

在各種剪力墻結(jié)構(gòu)中，連梁并非必需的結(jié)構(gòu)，但是，對(duì)于有連梁的剪力墻結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，如果沒(méi)有合理的設(shè)計(jì)，必然會(huì)對(duì)連梁的承載力產(chǎn)生影響，甚至出現(xiàn)截面與設(shè)計(jì)不相符的現(xiàn)象。因此，在設(shè)計(jì)連梁時(shí)，應(yīng)注意：①折減連梁的剛度，連梁的跨高較低，與之連接的墻體剛度大，在水平應(yīng)力的作用下，連梁可能會(huì)受到很大的內(nèi)力，從而引起連梁開(kāi)裂或斷裂，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要合理地降低連梁的剛度，如果抗震設(shè)防烈度較小，可以降低折減系數(shù)，在抗震設(shè)防烈度大的情況下，折減系數(shù)應(yīng)適當(dāng)增加，而折減系數(shù)應(yīng)不小于0.5；②增大洞口的寬度，降低連梁高度，可以顯著降低連梁的剛度，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能；③根據(jù)工程實(shí)際，適當(dāng)增大剪力墻的厚度。

4 設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)注意的要點(diǎn)

剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性對(duì)于確保建筑物的穩(wěn)定起著舉足輕重的作用，下面將簡(jiǎn)要總結(jié)出三個(gè)方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，其他的一些優(yōu)化措施則需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)具體情況進(jìn)行靈活的調(diào)整。

隨著建筑的結(jié)構(gòu)、樣式的不斷變化，剪力墻結(jié)構(gòu)的形式也會(huì)有所不同，其所承受的荷載、荷載分布以及整體剛度也會(huì)有很大的差異。為保證剪力墻能夠均勻分擔(dān)荷載，應(yīng)按照有關(guān)規(guī)范合理地設(shè)定剪力墻的厚度，墻肢的截面高度為其厚度的8倍或更大。

剪力墻結(jié)構(gòu)的外形也會(huì)對(duì)其穩(wěn)定產(chǎn)生影響，目前已有的剪力墻結(jié)構(gòu)形式多為 T型和 L型，可以有效地減輕自身的重量，減小自身的體積，提高其側(cè)向剛度，從而大大節(jié)省了工程造價(jià)。

剪力墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與其各個(gè)部件的質(zhì)量有關(guān)，除控制連梁、墻肢等外，還應(yīng)對(duì)暗柱、翼墻、端柱等邊緣構(gòu)件進(jìn)行控制，并適當(dāng)增大邊緣構(gòu)件的截面，以保證整體剛度，避免層間產(chǎn)生位移。

5 結(jié)束語(yǔ)

剪力墻結(jié)構(gòu)在高層建筑中占有舉足輕重的地位，其是確保建筑物整體的可靠、安全的重要因素。所以，在進(jìn)行高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量控制。由于剪力墻結(jié)構(gòu)的承載能力強(qiáng)、剛度大等特點(diǎn)，在建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用。此外，在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)充分考慮與其他結(jié)構(gòu)的連接，以確保整體結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)。為了更好地發(fā)揮剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，有關(guān)設(shè)計(jì)人員需要分析其優(yōu)缺點(diǎn)，掌握其應(yīng)用要領(lǐng)，從而進(jìn)一步凸顯其優(yōu)越性，進(jìn)一步提高建筑物的整體質(zhì)量。