探究建筑結構設計中的剪力墻結構設計

韓文燕

(大同市建筑設計學院 山西 大同 037000)

剪力墻是一種結構墻,也可以作為抗震墻,其既能承受各種作用力,又能維護建筑物整體安全穩定。為了優化建筑物結構性能,施工單位需要了解剪力墻結構設計的基本原理,將其與建筑架構設計合理結合。本文通過對剪力墻構造特性與設計基本原理進行了剖析,并對其在建筑架構設計中的具體利用展開了探討,并希望能夠給有關人員提供借鑒。

1 剪力墻結構概述

1.1 剪力墻結構分類

根據剪力墻洞口設計的不同可以將其分為幾個種類:其一,實體剪力墻,即墻體未設置洞口,該種剪力墻結構穩定性和承載力較強。其二,整體小開口剪力墻,即墻體上存在孔洞,但孔洞面積不大,通常不會超過整個結構的15%。雖然洞口較小,但也會在一定程度上影響剪力墻結構的整體穩定性和承載力,在使用過程中可能會導致連梁處出現反彎現象。其三,連肢剪力墻結構,在即墻體上有很大的孔洞,這會導致剪力墻承壓能力減弱。第四,壁式框架剪力墻結構,與連續剪力墻相比,整體承載力差,難以保障建筑安全[1]。

1.2 剪力墻結構的優缺點

1.2.1 優點

首先,能夠花費較小的成本提升墻體結構整體質量、強化墻體功能、減少設計以及施工成本。其次,由于剪力墻自身的強度和承載能力都比較好,可以承擔多種荷載,對提高建筑結構的整體穩定性和安全性有很大的幫助。最后,采用剪力墻結構,既可以將承重墻、分隔墻等結合起來,又可以有效擴大室內空間,使建筑物整體更具美感。

1.2.2 缺點

一是遇到外力時很容易在力的作用下產生形變。二是其應用會在一定程度上增加重量,導致建筑的整體重量增加。三是剪力墻結構的承載力有待提升。四是剪力墻結構的耐久性較差。

2 剪力墻結構設計原則

2.1 位置選定原則

剪力墻的部位選擇應該堅持一定的原則,首先要在建筑物兩側均勻分布,然后對于像樓頂之類的造型曲折多樣的區域,應該減少剪力墻的布置。在橫向布置時,還應充分遵循對稱原則,如實際結構無法對稱,則應盡可能使中心接近地面。如在剪力墻上打洞時,則要把孔洞置于正中,遠離墻腳等部位,以免影響建筑結構安全[2]。

2.2 間距和厚度設置原則

剪力墻結構設計時最大間距應在規定范圍內,這樣既能保證屋面的側向剛度,又能防止樓板在橫向載荷過大時發生彎曲和變形。在此基礎上,應根據《高層建筑混凝土結構技術規程》相關規定,規定剪力墻結構厚度。

2.3 墻肢長度確定原則

一般情況下,墻肢的長度都是根據具體情況來決定的,但是大部分都小于8 m,因為如果太長很有可能會斷裂,當然,墻肢也不能太短。確定墻肢長度的辦法是將其確定為厚度的8倍左右,且總長度應該小于4 m。如果必須要設計更長的墻體,可以通過在墻壁上打孔的方法來增長墻體,只要比值>2且孔徑大小合適,墻體就不會輕易受損[3]。

2.4 數量確定原則

剪力墻的數量要適當,而不是越多越好的。如剪力墻數量過多,會使自身所需承受的力變大,進而對建筑整體結構產生不利影響,且容易遭到破壞,浪費的材料也更多。因此為了減輕自身所需承受的力,應在滿足建筑結構設計要求的前提下盡量少采用剪力墻。

2.5 梁板分布原則

通常,房子的高度越高,所需承受的壓力就越小,因此樓層數決定著梁板厚度,而梁板厚度又決定著鋼材的用量。剪力墻結構設計必須在滿足梁板厚度要求的基礎上盡量減少鋼材用量,從而節省大量費用。此外,梁板分布應盡可能簡潔、清晰,保證質量,減少次梁數量,減少傳力途徑繁冗的情況。

3 剪力墻結構設計在建筑結構設計中的應用

3.1 基礎方案及承重構件的設計

在剪力墻基礎方案設計過程中,需要綜合考慮建筑周邊的地質條件、水文條件、建筑群分布情況以及施工工藝等,進一步提升剪力墻結構基礎方案設計的可行性[4]。

而在承重構件設計中,由于其是一面墻,因此在結構上的布局顯得尤為重要。一方面,可以結合雙向布置設計,以提高剪力墻的承載能力和抗剪性能。同時必須始終遵循對稱原則,不僅要滿足建筑墻體的承重要求,而且要符合審美需求。另一方面,剪力墻中心要與建筑內部空間軸線保持一致,并且要保證其均勻性,以便能夠有效分散剪力作用,從而保證平面布局的合理性。

3.2 剪力墻結構的設計

剪力墻結構的最大優點是其承載力、平面剛度好,而其平面外承載力比較薄弱,如果將平面外梁直接連接到剪力墻上,則會增加墻體的平面外彎矩。因此,當墻體橫斷面較小時,可以考慮采用半剛接法來調節墻體的平面外彎矩。在此基礎上,應盡可能保證剪力墻平面均勻分布,并使其剛度中心盡可能靠近整個建筑物的中心,以使扭轉作用最小化。當剛度中心與建筑物中心有很大偏差時,可以根據需要調整墻體長度和連接梁高度,來調節剛度中心的位置。另外,由于剪力墻的側向剛度大、自振周期短、水平地震作用大,會對結構的整體性能產生一定影響[5]。為了減小建筑物結構受地震剪應的影響力,可以采取減小墻體厚度、加大主次結構設計間隔、減小墻體總數等措施來減輕結構的整體重量,進而提高結構的抗側移剛度。

3.3 大墻肢處理

在進行剪力墻結構設計時,必須充分考慮其延伸特性,如果不對其進行合理處理,將會對結構穩定和耐久性產生不利影響。而為了提高剪力墻結構的承載能力,可以采取封層間隔的方法,將大跨度剪力墻分為若干個單獨的墻體,以改善其穩定性,防止其在施工中受到外力影響。

3.4 剪力墻厚度的控制與配筋

合理控制剪力墻的厚度以及配筋能夠進一步提升整體應用效果。在剪力墻結構厚度設計過程中,要根據建筑抗震需求以及相關規范要求進行合理設計。但是部分規定在面對多層或是高層建筑結構設計的時候并不能完全適用。如果建筑結構對于空間有一定要求,而不能設計外縱墻、翼墻等,則墻體厚度需要達到320 mm 的最低值,同時進行合理計算和分析,保證墻肢軸壓比滿足工程實際需求。而對墻體配筋率的設計應當遵循我國相關規范中各項條款規定,例如:如果抗震等級為1級,那么在剪力墻結構設計過程中,墻體配筋率不得低于0.25%,加強部位配筋率應在0.3%及以上。

此外,設計人員在進行配筋過程中需要根據剪力墻壓力進行合理計算,并根據試驗結果合理調整配筋率,以適應剪力墻施工要求。

3.5 連梁的設計與優化

在剪力墻中,連梁并非必需的結構。但對設有連梁的剪力墻來說,如果連梁設計不合理,則必然會對剪力墻承載力產生一定的影響,甚至出現截面與設計不相符的現象。在設計連梁時,必須注意以下幾個方面:一是降低連梁的剛度。連梁跨高低,但與其相連的墻體剛度大,當出現橫向應力時,連梁將受到很大的內力影響,從而導致開裂和損壞。因此在設計時要科學降低連梁剛度,如果設防烈度很低,可以降低折減量,如果設防烈度較高,可以適當提高折減量,但是要保證折減率不超過0.5。二是擴大孔洞寬度。在減小連梁高度的前提下,增大開孔寬度可以明顯折減連梁剛度,從而改善其抗震性能。三是可以根據工程實際,適當增大剪力墻的厚度[6]。

3.6 邊緣構件設計

在剪力墻結構設計的過程中,邊緣構件是非常重要的內容。通常情況下,施工中會用到約束性邊緣構件和無約束能力的邊緣構件,相對于后者來說,前者在承載力上要更強,幾乎可以達到40%。實際設計的過程中,需要根據工程的實際情況來選擇合適的邊緣構件種類。

通常情況下,如果實際軸壓比大于可不設約束邊緣構件的最大軸壓比,那么可以選擇約束性邊緣結構構件;而如果實際軸壓比小于可不設約束邊緣構件的最大軸壓比,則選擇構造類的邊緣構件。

4 案例分析

一棟25層的高層建筑,包括兩層地下車庫;第一層層高6.5 m,為高架層;二層及以上為居住區,層高3.3 m。本項目安全等級為2 級,地震設防烈度為7度。

4.1 轉換層結構布置

現階段,轉換層結構布置通常有厚板轉換層、巨型梁轉換層、巨型桁架轉換層等不同的結構形式。在工程實施的過程中,轉換梁的形式較為常見,該方式受力明確且施工便捷,因此被廣泛應用于各種剪力墻結構中。

該項目采用了大型梁式轉換層結構。工程高度為B級,為了能夠有效提升整體結構的承載力和延展性,采用CRC結構作為框架支撐。

4.2 標準層結構布置

在設計時,應盡可能使標準層結構剛性中心與建筑物重心相一致,以減少扭轉對建筑整體的影響。當建筑物自身平面形變起伏大時,應在凸出端附近設置一定數量的剪力墻,從而達到控制結構變形和改善整體結構的目的。

在此項目中,在進行剪力墻布置時,縱橫剪力墻設計呈L型或T 型,剛度基本相同。整個剪力墻結構自上而下所使用的混凝土強度由C45逐漸變成C30,剪力墻的厚度從300 mm 逐漸變成200 mm[7]。在角窗位置設置高為1 200 mm 的梁,適當提升地震作用下整個結構的抗扭能力。

4.3 結構構件設計

在本工程中,結構構件的設計主要體現在以下幾方面。首先,框支柱方面。本工程的框支柱抗震等級設置為一級,其軸壓比不得大于0.6。對于部分短柱來說,其軸壓比設置不得大于0.5,配筋率不得小于1.5%,并且保證箍筋全長加密。這樣可以避免脆性剪切破壞,改善整個剪力墻結構的抗震性能。其次,框支梁方面。此項目中,框支梁的寬度設定在600～9 000 mm 之間。框架—支撐梁結構既是上部和下部的傳遞樞紐,又是保證整個剪力墻抗震性能的重要組成部分,所以在設計時要為其預留足夠的空間,且框支梁配筋率配筋比例不應低于0.5%,并且配備了足夠數量的腰筋,此外整個框支梁的設計始終堅持“強剪弱彎”的原則。

5 結語

綜上所述,在建筑結構設計方面,剪力墻結構的功能優勢非常明顯,實際應用較為廣泛,其也是影響建筑結構安全穩定性的重要因素。基于此,在設計方面需要重視與實際情況相結合,嚴格依照規范要求,加強各參數的合理設計。尤其需要注意剪力墻結構的關鍵部位,選擇合理的設計方案,加強平面設計等細節控制,充分發揮出剪力墻結構的應用優勢。