剪力墻結構設計在建筑結構設計中的應用分析

李長武（蘭州新現代建筑設計有限公司，甘肅 蘭州 730000）

隨著社會的進步與發展，人們對建筑工程的質量要求不斷提升，為滿足不斷提升的社會需求，建筑行業內一直在積極的探索創新路徑，多種先進的建筑工藝和施工方法被不斷應用到建筑的建造過程中，在一定程度上提高了建筑工程的建筑質量，推動了建筑行業的綜合發展。剪力墻結構就是近年來獲得廣泛應用的一種建筑結構設計，通過科學的應用剪力墻結構，能大幅提升建筑的綜合性能。但目前行業內關于剪力墻結構設計的尺寸、安裝位置等尚未形成統一的規范和標注，主要依靠設計人員的經驗展開設計，使得不同建筑中剪力墻結構的設計和安裝都存在一定差異性，也可能存在一些安全隱患。設計人員應充分掌握剪力墻結構的設計要點，保證剪力墻結構設計能滿足建筑的建設要求。

1 建筑結構設計中剪力墻結構的設計原則

剪力墻結構具有經濟性高、美觀程度好、剛度大、承載力強等諸多優點，能有效提高建筑結構對水平荷載的抵抗能力，使建筑結構整體的穩定性得到有效提升。但是由于目前國家和行業內并沒有針對剪力墻結構的設計形成統一的規范和標準，因此，設計人員在設計剪力墻結構時，應遵循以下設計原則：

1.1 拉通對直

在設計建筑結構時，應注意保持將上下樓層剪力墻結構中的門窗和洞口保持垂直方向對直，合理規劃結構的傳力途徑，保證剪力墻結構具有良好的抗震性能。同時，應沿軸線將剪力墻結構拉通對直，避免因出現重疊或錯洞現象影響整體結構的綜合性能。

1.2 雙向布置原則

將剪力墻結構沿著結構的縱、橫兩個方向鋪設，能進一步提高整體結構的抗震性能，保證剪力墻結構具有雙側抗側力，還應盡量控制縱橫兩個方向產生的側剛度數值相近，使二者自振周期接近。

1.3 豎向貫穿

科學的剪力墻結構應沿豎直方向從上至下貫穿整個結構，若剪力墻結構在豎直方向上發生結構的變化，則墻體的剛度和厚度也可能一起發生變化，影響建筑結構的整體抗震性能，此時，可通過調整剪力墻單元剛度的方式提高結構對側剛度的抵抗能力，規避因剛度突變對結構的抗震性能產生的負面影響。

1.4 洞口宜上下對齊、成列布置

孔洞會對剪力墻結構的承載力及剛度造成一定的影響，但當剪力墻結構整片長度較長時，墻體需要承載的負荷過大，通過合理的開口能有效分攤負荷，用弱梁連接洞口，同時將墻肢長度控制在8m之內[1]。

1.5 與建筑高度適配

剪力墻結構根據孔口設計的不同分為實體剪力墻、小開口剪力墻、聯肢剪力墻、壁式框架剪力墻等類型，應根據建筑的實際情況科學的選擇不同的剪力墻結構，使其技能與建筑的高度適配，又能滿足建筑的受力需求，少數類型的剪力墻結構不宜在建筑中大面積應用，可能會導致建筑結構受力不均。

1.6 降低墻肢的平面外彎矩

降低墻肢平面外彎矩的方法較多，如提高壁柱數量、增加豎直墻體數量、增加配筋率等，可結合實際條件靈活地選擇。

2 建筑結構設計中剪力墻結構設計的應用

2.1 基礎方案及承重構件的設計

剪力墻結構的設計方案應以施工現場的水文地質情況、周邊建筑分布情況、工程的建設要求等多種要素為基準綜合確認，確保剪力墻結構的設計方案既能滿足建設要求，又能與周圍環節和諧共生。設計人員應結合建筑施工環境、相關標準的要求等合理規劃剪力墻的承重構件，保證建筑主體結構的穩定性合格。應將墻體配筋率作為剪力墻承重構件設計的關注重點，水平和豎直方向的配筋率不應低于0.25%，少數框支剪力墻結構底部加強位置的配筋率應不少于0.3%。在剪力墻結構的設計過程中，設計人員應積極認識基礎方案的重要性，重點控制承重構件的設計及優化，結合自身設計經驗和工程的各項參數科學確定工藝參數及建設標準，避免因設計不合理為結構帶來的安全隱患，完成設計后應多方驗證，確保設計方案的科學性和可行性。

2.2 剪力墻結構的設計

剪力墻結構需要采用雙向設計，使墻體內部形成空間結構，尤其是抗震防御區，在進行雙向設計的過程中盡量將來自兩個方向的剛度保持一致[2]。剪力墻結構的設計中盡量保持其平面均勻分布，剛度中心接近建筑結構整體的中心，最大化減少扭轉效應，若剛度中心與建筑中心的偏離程度較高，可在條件允許的情況下通過調整墻肢長度和連梁的高度對剛度中心位置進行調整。由于剪力墻具有較強的抗側剛性，結構自振周期較短，承受的水平地震作用較大，可能影響結構的整體性能。為減少水平地震剪力對建筑結構的影響，可通過減少墻體厚度，在主次結構設計中增大墻體間距，減少墻體總數等方式降低結構整體自重，增加結構的抗側移剛度。剪力墻結構最顯著的優勢就是具較好的承載能力和平面剛度，但平面外承載力和剛度卻相對較弱，若在設計中直接將平面外方向梁與剪力墻相連，可能會使墻肢平面外彎矩增大，為改善此種情況，在樓面截面不大的條件下，可采用半剛接的設計方案調整墻肢平面外彎矩。

2.3 大墻肢處理

在進行剪力墻結構的設計過程中，應充分考慮其具有的延伸性，若未能對其進行科學的處理，可能會影響剪力墻結構的穩定性和耐久度[3]。在保證剪力墻結構滿足建筑承載要求的前提下，可采用封層間隔的設計形式將長度較大的剪力墻結構劃分成一定數量的獨立墻段，提高其穩定性，避免建筑在投入使用后因外力的作用對剪力墻結構整體造成破壞，若想實現該目的可在施工過程中在長度較長的剪力墻結構中適當開孔，即是將長墻肢轉化為短墻肢，施工結束后對開設的空洞進行必要的封堵。另外，還可通過調整配筋數量提高長度較小的剪力墻結構的承載能力，可在設計剪力墻結構時適當留洞，以適當調整墻肢的配筋數量。

2.4 剪力墻厚度的控制與配筋

一般情況下，剪力墻的高度和寬度數值較大，但厚度較小，受力特點與柱形結構相似，主要存在高厚比的差異性，若高厚比小于4，可借鑒柱的設計方法對剪力墻結構進行時設計；若高厚比約等于4，可借鑒異形柱的設計方法設計雙向受壓結構。

2.4.1 剪力墻結構厚度設計

根據國家的相關規定要求，若建筑工程的抗震等級是一級或二級，則剪力墻底部加強部位的厚度應大于200mm，并且應大于層高的1/16，剪力墻的其他結構厚度不能小于160mm；若剪力墻端頭未涉及翼墻，則應大于層高的1/12[4]。但是相關規定并不適用于所有建筑結構，如在設計低高層或多層建筑結構時，若建筑層數在5~15以內，該種情況下的剪力墻肢在重力荷載代表值下，軸壓比多小于0.2，若按照規定計算，底部功能要求3.9m層高，墻體厚度至少為240mm。若出現此種情況，設計人員應結合自身設計經驗，通過概念設計分析，重新規劃墻肢軸壓比，驗算剪力墻墻體截面的強度，科學設置配筋率，在確保剪力墻綜合性能符合建筑要求的情況下，減少墻體厚度。

2.4.2 墻體配筋率設計

國家明確規定，在設計抗震等級為一、二、三級的剪力墻結構時，水平和豎直方向的最小配筋率不應小于0.25%，部分框支剪力墻底部加強位置配筋率不應小于0.3%。該要求在長度較大或高度較高的剪力墻結構中應用能顯著提高結構的穩定性，但是在低矮剪力墻結構中應用時應反復確認配筋率的科學性。

2.5 連梁的設計與優化

連梁主要承擔連接墻肢的作用，墻肢會在強大的水平負荷作用下發生彎折現象，進而影響連梁的平直度，破壞墻肢整體結構的穩定性[5]。通過改善墻肢的受力情況能有效規避墻肢的彎折，因此，連梁設計的合理性也會在一定程度上影響剪力墻結構的整體性能。

連梁并不是所有剪力墻中的必要結構，但對設有連梁的剪力墻來說，若設計合理性不足，則勢必會對連梁的承載力造成一定的影響，甚至會造成截面與設計不符的情況。所以，在設計連梁的過程中應重點關注以下內容：①折減連梁剛度[6]，連梁跨高較低，與其相連的墻肢剛度較大，在產生水平應力時會使連梁承受較大內力作用，進而引發連梁裂縫或破損，所以在設計時應科學折減連梁的剛度，若設防裂度較小，可適當減少折減量，若設防裂度較大可適當增加折減，但應控制折減系數在0.5以上；②增加洞口寬度，在降低連梁高度的同時增加洞口寬度，能顯著減少連梁剛度，提高結構的抗震性能；③結合實際情況增加剪力墻厚度。

3 結語

在城市人口不斷增加的情況下，城市中的建筑高度會呈現逐漸提高的發展趨勢，剪力墻結構的應用范圍也會不斷提升，為進一步提升剪力墻結構的科學性和合理性，設計人員應對剪力墻結構的設計不斷進行創新與優化，通過應用剪力墻結構，促進我國高層建筑的建筑工藝更加成熟，推動我國建筑行業的不斷發展。