建筑結(jié)構(gòu)設計中剪力墻結(jié)構(gòu)設計的應用

王 娟

（甘肅宏圖建筑設計有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

隨著行業(yè)的發(fā)展和時代的進步，在建筑行業(yè)中，剪力墻被越來越廣泛地應用于高層建筑的工程項目施工中。而社會的發(fā)展與經(jīng)濟的騰飛，使得我國的建筑行業(yè)也得到了極大的刺激，建筑項目越來越多，高層建筑項目更是在大城市中隨處可見，建筑結(jié)構(gòu)設計隨之遇到了極大的挑戰(zhàn)與困難，我們不能夠再滿足于過去那樣的結(jié)構(gòu)設計方案。各家公司只有不斷地對剪力墻的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化與探究，加強剪力墻的結(jié)構(gòu)設計與質(zhì)量才能夠滿足當下的需求。剪力墻本身具有剛性強度大，整體性能好，并且能夠很好地抵擋地震帶來的災害，加之建造剪力墻的成本與其他工程項目相比也更加低廉，因此，在建筑結(jié)構(gòu)設計之時，其首先被考慮到。然而，就剪力墻的設計方案而言，目前并未有統(tǒng)一的、權(quán)威的、規(guī)范化的設計方案。這就導致了在各個工程項目中，剪力墻的尺寸大小、墻體結(jié)構(gòu)、墻體質(zhì)量都存在著極大的差異，使得工程質(zhì)量沒有辦法得到保證。目前，雖然有一些人對剪力墻的結(jié)構(gòu)設計進行了一些研究與探討，文獻[1]就剪力墻的結(jié)構(gòu)設計以及其結(jié)構(gòu)中抗側(cè)的剛度與功能和抗震性能之間的關(guān)系進行了一些探討；在文獻[2]中作者同樣從剪力墻的結(jié)構(gòu)設計分析與應用相結(jié)合，研究了剪力墻的各方面性能，并且給出了一些設計方案；文獻[3]和[4]的作者則從實際情況出發(fā)，分別從剪力墻的材料出發(fā)，討論了鋼板與鋼筋對于剪力墻的安全性與穩(wěn)定性的影響。除此之外，文獻[5]和[6]也給出了對于剪力墻結(jié)構(gòu)與性能的一些討論與分析。盡管有很多的文獻已經(jīng)對剪力墻的各方各面進行了詳細的討論和詳盡的分析，然而，現(xiàn)實是行業(yè)內(nèi)還對剪力墻沒有一個統(tǒng)一的認知和認識。因此，文章將從剪力墻的結(jié)構(gòu)與優(yōu)化設計以及剪力墻的應用等方面進行全面的概述，對剪力墻給出一個系統(tǒng)的敘述。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)概述

在高層建筑項目中，剪力墻之所以得到廣泛應用，主要是因為其承載能力和墻體的剛性。因為剪力墻的載荷能力與剛性都非常之強，故在地震來臨時憑借其特有的承載力可以降低水平載荷能力達到抗震的效果。剪力墻的主要原料是鋼筋混凝土，通過將鋼筋混凝土作為其墻體的主要結(jié)構(gòu)，用于承載建筑物的橫向力與縱向力，不僅能夠達到分割空間的效果，通過建造剪力墻可以增加平面內(nèi)的抗側(cè)移強度，同時使平面外的抗側(cè)移度變小，達到支撐建筑物結(jié)構(gòu)的作用，且剪力墻還能夠?qū)⒔ㄖ锏恼w壓力進行分散使得建筑的整體結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定。建筑公司有時也會從創(chuàng)新設計的角度出發(fā)去設計剪力墻，一方面是因為剪力墻的構(gòu)建能夠增強建筑物的整體穩(wěn)定性與使用安全性，不但能夠抵擋建筑物帶來的載荷壓力，還能夠有效地維護上層建筑的整體架構(gòu)，使其保持穩(wěn)定。然而，剪力墻一旦造好就不能夠被輕易拆卸和改造。為此，在項目設計階段時，應該就剪力墻的設計和優(yōu)化做好前期的準備工作，避免因為疏忽而造成嚴重的坍塌事故。

為了設計出科學化的剪力墻結(jié)構(gòu)，我們需要先對其原理進行更加細致的了解。剪力墻的作用是在梁柱設計時利用鋼筋混凝土的墻板代替框架結(jié)構(gòu)，用于增加建筑整體的載荷能力和分散壓力以及加強建筑整體的抗震作用。設計過程需要遵循以下幾點原則，首先是剪力墻整體的銜接性要非常之強，設計時要考慮建筑整體的剛度和抗震所需要的穩(wěn)定程度并且相應的配置合適的剪力墻體的數(shù)量；其次，剪力墻結(jié)構(gòu)的連梁剛度也有一定的要求，設計規(guī)格的跨高比一般是要大于2.5，且如果是在高層建筑中使用，還需要達到5以上的跨高比；再有就是剪力墻的設計尺寸依賴建筑項目所需要的建筑的體積以及建筑物處于的高度，并且剪力墻的結(jié)構(gòu)設計也十分靈活，即使是具備了同樣柱體相同的受力特性的墻體，二者也可以是不相同的，可根據(jù)要求去設計，有很大程度的選擇空間。當剪力墻的肢長/厚度的比值≤3 時，柱體結(jié)構(gòu)的設計則要根據(jù)建筑物的需求進行制定。但是，當剪力墻的肢長與厚度的比值在3~5 之間時，設計剪力墻結(jié)構(gòu)時要根據(jù)其雙向受壓原則進行制定。根據(jù)剛體力學的一些理論知識，可以知道剪力墻的墻體結(jié)構(gòu)設計中，長度不可超過9 m，寬度與高度不可超過2 m，否則剪力墻的墻體結(jié)構(gòu)將不夠牢固。在設計時有幾個要點需要特別注意，第一是剪力墻的數(shù)量并非越多越好，數(shù)量主要取決于如何能夠發(fā)揮出剪力墻的剛度優(yōu)勢和抗震優(yōu)勢，這個跟建筑物所處的高度和其剪力墻的壓力大小有關(guān)，在設計時要保持墻體結(jié)構(gòu)的對稱性和勻稱性。第二則是要盡可能將剪力墻的布置平面化，因為剪力墻的原材料為鋼筋混凝土，為了能夠在承受了建筑帶來的豎向壓力與水平壓力且保持較好的穩(wěn)定性，就需要將墻體結(jié)構(gòu)合理的建設在平面軸線上，使得墻體的質(zhì)量與剛度中心盡可能一致，這樣才能夠最大程度控制和降低剪力墻自身的扭矩，保持剪力墻自身平穩(wěn)時，保證建筑物的穩(wěn)定性。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)設計

剪力墻的結(jié)構(gòu)設計需要專業(yè)的人員來完成，其是一個系統(tǒng)性的工程，在這項工程中有許多的步驟以及需要詳細注意的多個細節(jié)之處。為此，在設計剪力墻的結(jié)構(gòu)之前，要事先將這些步驟了解清楚，并且理解各個細節(jié)，這樣才能將整個設計合理化、完善化。

首先，要根據(jù)所需確定剪力墻的墻體厚度并選擇合適的墻肢長度。根據(jù)之前的分析和敘述，可見剪力墻的肢長與厚度之比在不同的范圍時主要是依賴于建筑項目的要求，但是剪力墻的長度還是不宜過大，否則墻體的載荷能力就會過于分散而導致所能承受的壓力太小，當壓力過大之時，墻體會被壓壞甚至崩塌。在長度確定的情況下，需要根據(jù)跨高比大于6 的原則來確定墻體高度的具體值為多少。至于墻體厚度的選取，主要是需要考慮建筑項目所需要的剛度和穩(wěn)定性的要求。一般情況下建筑項目的普通墻厚度為200 mm 時，要將剪力墻的厚度設置為200 mm。針對沒有地下室的高層建筑來說，這種選擇方式就不夠科學化和合理化，這樣制定的剪力墻的厚度與填充墻的厚度一致時，墻體的剛度與穩(wěn)定性能可能就達不到要求。因此，需要考慮更為合適的設計方案，不僅要結(jié)合建筑項目的實際情況，還需要參考高層建筑設計方案來進行合理設計。

其次，連梁的設計在剪力墻中也是不容小視的。眾所周知，連梁的作用是用于墻肢與墻肢之間的連接。如果連梁設計不符合規(guī)定，不但起不到墻體與墻體間的1+1=2 的作用，甚至會導致1+1＜2 的作用，進而原先設計方案中能夠承受的壓力，在連梁設計的失誤下導致無法承受進而引發(fā)坍塌事故，給建筑公司帶來極大的損失。因此，一定要重視連梁的設計并且要對設計細節(jié)更加注重。在連梁的設計中，有兩個指標需要重點關(guān)注，即跨高比與截面尺寸。這兩個指標和連梁的剛度是密切相關(guān)的，一旦指標滿足了設計要求，連梁的剛度就能夠滿足設計的需求，否則將會設計出殘次的剪力墻體。

最后，邊緣構(gòu)件的設置與各種參數(shù)的計算，在設計中也是極為重要的。從過去的例子，可以總結(jié)出當剪力墻的設計中融入邊緣構(gòu)件的約束，墻體的極限載荷能力被極大提升了。常用的邊緣構(gòu)件共分為兩類，一類是約束邊緣構(gòu)件，另一類為構(gòu)造邊緣構(gòu)件，它們分別都具有各自類別的優(yōu)勢，在實際中具體使用哪一類需要根據(jù)建筑項目的需求而進行選擇。在墻體結(jié)構(gòu)設計之時，各類的參數(shù)對于墻體的剛性與穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，當主體結(jié)構(gòu)設置的較為簡單之時，就采用空間協(xié)作平面框架進行相關(guān)參數(shù)的計算；而主體結(jié)構(gòu)設置非常復雜的話，就采用空間分析程序的方式進行參數(shù)計算。具體需要計算的參數(shù)為：內(nèi)力、位移等等。在設計的過程中，應該遵循著簡化計算的原則，帶著能簡化即簡化的思路去設計計算框架。

4 剪力墻結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化

如前所述，剪力墻體結(jié)構(gòu)在布置的時候是沿著主軸的方向或者是雙向。這樣做的原因主要是能夠更好分散建筑物帶來的載荷壓力和保持墻體的承載壓力以及保證建筑物和墻體自身的穩(wěn)定性和安全性，沿主軸方向的布置或者是雙向布置可以使墻體形成一定的空間結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)符合剛體力學的基本原理，不僅僅在抗震上有極大的應用，其抗側(cè)能力也有不小的增大。為了增加剪力墻整體的空間工作性能，在布置剪力墻時不可過分單一，可將兩個受力方向比較接近的墻體相互接近。但是因為墻體過于緊密會導致載荷作用過于集中或者是作用點有重疊，致使剪力墻的作用無法被最大程度發(fā)揮出來，因此最佳的布置剪力墻的方式是通過計算制定出分散剪力墻布置的最佳方案。當剪力墻的墻體長度過大時，可以考慮通過設置洞口的方式來優(yōu)化剪力墻結(jié)構(gòu)設計，將墻面分成長度相等的多段，而墻段之間則使用連梁的方式進行連接，使得每個墻段的高度與截面高度的比例≥2，這樣就可以避免剪力墻的墻體太過脆弱而崩壞。抗震能力是剪力墻最強的能力之一，為了在地震來臨時，剪力墻可以最好的體現(xiàn)其能力，在設計之初就這一問題需要進行完善的討論和設計，設計墻肢截面高度與厚度比小于4，并且按照框柱設計架柱加密區(qū)實現(xiàn)全高加密，以提高剪力墻的抗震能力。

剪力墻設計中的參數(shù)計算是其中很重要的一個環(huán)節(jié)，而計算本身具有很高的復雜性，過程中一些模型的設計和算式的計算也非常之繁瑣。為了能將計算進行簡化，便于實際情況的使用，需要事先了解一些用于簡化計算過程的基本原則以及一些模型設計后用于計算的基本原則。例如，在地震的場景中，需要計算地震來臨時，地震帶來的沖擊波會作用的樓層最大層間位移；在進行詳細的計算時，需要先以樓層的形變量為參考，并將扭轉(zhuǎn)變形也計入其中，在某些情況下可以不扣除結(jié)構(gòu)的整體形變。這樣，在進行設計時，就能夠知道高層建筑應該盡可能減少地震發(fā)生時因地震而產(chǎn)生的形變量；這就需要在某些關(guān)鍵部位增加豎向構(gòu)件的剛度，而不是盲目增加剪力墻的數(shù)量或者是關(guān)注其他一些無關(guān)因素。在實際情況下，一些設計者僅僅關(guān)注細微之處，看到某一個方向的位移不足，為了滿足規(guī)定所要求的標準，就一味增加該側(cè)向的剛度，而忽略了架構(gòu)整體的重比。這樣做的結(jié)果最終只有兩種，一種是和規(guī)范限制較為接近最終勉強滿足基本要求，而另一種結(jié)果則是，一側(cè)減重過大導致了另一側(cè)的剛度不能夠滿足要求，或者因為減重過小導致了地震作用對建筑物的傷害還是太大而最終無法使剪力墻的作用發(fā)揮出來。因此，設計人員除了要設計出滿足規(guī)定所要求的剪力墻結(jié)構(gòu)，在設計時還需要從全局的角度出發(fā)進行設計，盡可能做到面面俱到，沒有遺漏。

5 結(jié)束語

在建筑工程項目中，建筑結(jié)構(gòu)設計是非常重要的一個環(huán)節(jié)，它可能決定了一個工程項目的質(zhì)量，甚至是決定了工程項目是否能夠成功。若在這一環(huán)節(jié)馬馬虎虎，不僅可能會導致施工過程中出現(xiàn)嚴重的安全事故，甚至將來會導致已經(jīng)完成的項目出現(xiàn)坍塌事故的發(fā)生。因此，提高這一環(huán)節(jié)的設計技術(shù)，做好這一環(huán)節(jié)的相關(guān)工作，不但可以提升社會整體的生活水平質(zhì)量，也能夠提高工程項目的安全性和穩(wěn)定性。在這一環(huán)節(jié)中，剪力墻結(jié)構(gòu)設計起著至關(guān)重要的作用，由于剪力墻結(jié)構(gòu)本身有著許多的特性，例如，抗震避災、剛性強度大等等，這就使得加強剪力墻結(jié)構(gòu)設計對建筑本身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有著很大程度的輔助作用。根據(jù)前文對剪力墻的結(jié)構(gòu)和相關(guān)優(yōu)化設計以及應用的敘述，對未來相關(guān)項目提供一個很好的借鑒例子。今后也應該不斷加強對相關(guān)工作的研究，使剪力墻的設計和優(yōu)化被不斷完善，緊隨時代發(fā)展的趨勢。