建筑結構設計中的剪力墻結構設計

袁張雷

（廣州市住宅建筑設計院有限公司山西分公司，山西 太原 030000）

伴隨社會的高速發展，社會公眾對建筑工程整體質量的要求也在逐步提高，為了滿足社會公眾逐步提升的需求，建筑行業一直積極探索新路徑，先進建筑工藝與施工方式逐步應用至建筑建設過程中，在很大程度上提升建筑工程的整體質量，促進建筑行業的全面發展。剪力墻結構是近幾年得到廣泛應用的建筑結構設計形式，科學運用剪力墻結構，能有效提高建筑綜合性能。但當前建筑行業內剪力墻結構設計尺寸以及安裝的位置等還沒有形成相應規范與標注，致使相關設計人員依據經驗進行設計，導致不同建筑中剪力墻結構設計與安裝存在差異性，同時也存在安全隱患。相關設計人員必須掌握剪力墻結構設計要點，確保剪力墻結構設計能達到建筑施工的要求。

1 剪力墻結構基本概述

1.1 剪力墻結構概念

剪力墻也可以稱為結構墻或是抗震墻，是剪力墻體，與普通墻體相對比厚度小一些，但建筑施工規模更高，多數選取混凝土板的材料為建筑框架中的梁柱，主要用于承擔外界的壓力，為此，剪力墻整體的承受能力更強一些，與柱子受力能力相近，能有效掌控結構水平力。剪力墻結構是建筑的主要支持結構，承擔的壓力一般來自外界風力以及地震等環境因素引起的水平荷載。剪力墻能抵御外部因素產生的影響，提升建筑結構安全性與穩固性。與墻體開洞的情況相結合，能將剪力墻劃分成雙肢剪力墻以及多肢剪力墻等。

1.2 剪力墻結構優勢

剪力墻結構的重要優勢是具有美觀性以及穩定性和經濟性較高等特點。當中，1）穩定性較強主要來源剪力墻的剛度和承載力，能抵御外部產生的荷載，對水平荷載抵抗的作用更明顯，為此，剪力墻結構設計能增強建筑整體穩定性，這是剪力墻結構具有的最佳優勢；2）經濟性高。剪力墻一般會選取混凝土澆筑的施工方式，能在確保剪力墻綜合性能以及作用的前提下減少鋼材用量，因此建筑施工成本投入的比較少，這是剪力墻結構得到廣泛應用的優勢；3）美觀性。經濟發展以及社會公眾對生活質量追求變高的背景下對建筑施工要求發生轉變，剪力墻結構能將建筑內部的隔墻以及承重墻相結合，尤其是隔斷墻的設計，能余留更多建筑空間，從而提升使用功能，還能提升建筑整體的美觀性。

1.3 剪力墻結構的類別

1）整截面墻的特點是墻面不存在洞口或者洞口比較小，整截面墻與傳統懸臂結構在使用功能上也有相似之處；2）整體開口墻比較小，主體部分呈現是曲面的形式，門窗洞口比較大并且成列進行分布，截面法的向應力偏離直線的分布，可以看成整體彎矩的直線分布與墻肢局部的彎矩應力疊加。墻肢局部彎矩不會超過總體彎矩的百分之十五，并且墻體在多數樓層沒有設置反彎點。將其應用至建筑中能有效緩沖建筑重量，建筑的穩固性能得到明顯增強；3）雙肢的剪力墻結構包含門窗開口的尺寸比較大的特征，且開口的數量比較多但均勻分布，開口的兩端在抗壓能力具有相同性，結構受力更均衡；4）壁式的框架結構，主要以傳統框架結構作為基礎，通過變形處理之后得出全新剪切型的結構，主要廣泛應用于樓層的曲面部分，具有非常突出的反彎點，尺寸也比較大，能較好和建筑墻體進行銜接，以此構成緊密的結構體系。

2 剪力墻結構設計的要點與原則

2.1 剪力墻結構設計的要點

2.1.1 整體布局分析

整體布局設計是剪力墻結構設計的基礎步驟，該步驟對后續工作的進行具有領導作用，合理的剪力墻布置方案能在很大程度上確保剪力墻結構應用的效果，確保剪力墻抗震能力與抗壓能力。為此，在剪力墻結構設計的過程中，必須對建筑整體情況進行綜合考慮，選取適合的剪力墻結構布局方式。總體來說，必須遵循對稱性的基本原則，選取適合的剪力墻結構，使其能達到建筑結構設計的要求。另外，必須重視剪力墻細節處理，比如獨立墻肢設置以及洞口處理等等。

2.1.2 計算原則分析

剪力墻結構是鋼筋混凝土結構，在結構設計過程中必須對鋼筋與混凝土型號選取問題進行考慮，發揮出施工材料性能優勢。必須依據剪力墻結構類型選取合理的鋼筋材料，并對材料的抗彎性能以及剛度進行綜合分析，按照實際情況進行調整。對工程所在地區的地質情況進行考慮，科學評估抗震的等級，明確剪力墻結構配筋，選取混凝土強度的等級，對施工材料使用的方式進行核對，并進行優化，從而形成最優的施工材料使用方案。

2.1.3 參數確定

在剪力墻結構參數確定的過程中，必須對結構厚度以及寬度和長度進行綜合考慮。1）將建筑設計的基本要求作為設計導向，以剪力墻結構能正常使用為目標，選取適合的剪力墻結構類型，明確相對應的性能參數，不僅要確保不同參數數值的科學性，還要達到數值之間不沖突的效果，進而防止建筑脆性較大的問題；2）從建筑的美學角度對參數進行綜合分析，在許可的范圍之內進行優化，提升建筑墻面分布均勻性，確保建筑整體結構具有較強的美觀性，以此達到使用業主對建筑美觀性提出的要求。

2.2 剪力墻結構設計原則

2.2.1 對剪力墻高度以及寬度進行控制

建筑結構設計中的剪力墻結構具有非常重要的作用，對建筑物具有支撐作用，并且能對不同荷載起到抵擋作用，不但支撐作用比較好，且抗震能力也較強。剪力墻主要包含墻肢與連梁，在剪力墻結構設計的過程中必須對剪力墻高度以及寬度進行控制，剪力墻結構的形狀類似板狀物，高度較高但厚度比較小，因為剪力墻對不同荷載予以承受，為此，在剪力墻結構設計過程中，必須嚴格把握剪力墻高度以及厚度比例，比值在三以內，參考柱體結構對剪力墻進行設計，比值在三至五之間，必須依據雙向受壓的結構設計原則進行設計，以此滿足剪力墻性能要求。

2.2.2 防止剪力墻和平面外梁相連接

剪力墻結構是承載平面內承載力，對平面外產生的承載力都是比較差的。因此在剪力墻結構中，若是和平面外梁連接就容易發生墻肢向外彎矩的現象，為防止外墻向外彎曲，對剪力墻結構設計的過程中必須注意不能與平面外梁相連接，但假如剪力墻與平面外梁相連接時，對剪力墻結構設計時就會涉及到保護措施，如果剪力墻與平面外梁出現問題時，也能得到較好的處理與解決。

2.2.3 綜合分析剪力墻承載作用力

剪力墻存在的作用是對承受建筑中不同的荷載，為此，對剪力墻結構設計的過程中，要對剪力墻承受的不同作用進行綜合分析，進而確保剪力墻結構性能達到建筑使用標準。對剪力墻結構進行設計時，必須對承受水平以及垂直方向產生的作用力進行精確分析，并對安全性進行判斷與驗證，對墻體斜截面承載力也需要進行分析與判斷，同時驗證剪力墻的穩定性，并對墻體集中承受的壓力極限進行詳細分析，確保剪力墻結構的科學性以及穩固性。

3 建筑結構中剪力墻結構的具體應用

3.1 基礎方案以及承重構件設計

剪力墻結構設計方案必須以建筑施工現場水文情況以及地質情況與工程建設要求等各種因素作為基礎標準進行綜合確認，保證剪力墻結構設計的方案能達到建筑建設的要求，還能和建筑周圍的環境和諧共存。相關設計人員必須與建筑施工環境以及規范要求相結合科學規劃剪力墻承重的構件，確保建筑的主體結構的穩固性符合相關標準。必須將墻體配筋率當作剪力墻承重構件設計的重點，在剪力墻結構設計的過程中，相關設計人員必須正確認識基礎方案具有的重要性，控制承重構件設計以及優化，與自身設計經驗與建筑工程不同參數相結合明確施工工藝的參數與建筑施工標準，規避由于結構設計不具合理性存在的安全隱患，完成設計之后必須進行嚴格驗證，保證結構設計方案的合理性與可行性。

3.2 剪力墻結構設計

剪力墻結構必須采取雙向設計，使剪力墻墻體的內部可以形成空間結構，特別是抗震防御區，在開展雙向設計過程中，盡可能將兩個方向剛度保持相同。剪力墻結構設計過程中盡可能保持平面均勻分布，剛度中心能接近建筑結構的中心，在一定程度上降低扭轉效應，如果剛度中心和建筑中心偏離的程度比較高，在條件允許的情況下通過對墻肢長度以及連梁高度進行調整，從而對剛度中心位置進行合理調整。因為剪力墻存在比較強的抗側剛性，建筑結構的自振周期比較短，承受水平的地震作用比較大，從而對建筑結構整體性能產生影響。為了降低水平地震剪力對結構產生的影響，可以減少墻體的厚度，在建筑主次結構的設計過程中增加墻體之間的間距，降低墻體總數等一些方式減少建筑結構整體的自重，增加建筑結構抗側的剛度。剪力墻結構中比較明顯的優勢是具有比較好的承載能力以及平面剛度，但建筑結構平面外承載力與剛度比較弱，如果在結構設計中將平面方向梁和剪力墻相連接，會使墻肢平面的外彎矩產生增加，為了改善這種現象，在建筑樓面截面較小的條件下采取半剛接設計方式對墻肢平面的外彎矩進行調整。

3.3 大墻肢的科學處理

對剪力墻結構進行設計的過程中，必須綜合考慮剪力墻存在的延伸性，如果沒有對墻肢進行合理處理，會對剪力墻穩固性以及耐久度產生直接影響。在確保剪力墻結構達到建筑承載要求的基礎上，采取封層間隔設計的形式將長度較長的剪力墻結構進行劃分成獨立的墻段，提升剪力墻的穩定性，規避建筑在建設完成投入使用之后由于外力作用對剪力墻的整體結構產生損壞，如果想要實現這個目的必須在建筑施工的過程中對長度比較長的剪力墻中進行開孔，簡單來說，就是將長墻肢轉換成短墻肢，建筑施工完畢之后對開設空洞進行封堵。此外，還能利用調整配筋數量提升長度比較小的剪力墻承載的能力，在對剪力墻進行設計時適當地留洞，以此調整墻肢配筋的數量。

3.4 剪力墻厚度管控與配筋設計

3.4.1 剪力墻厚度設計

依據我國相關規定的要求，如果建筑工程抗震的等級為一級或是二級，剪力墻底部位置厚度必須大于200mm，同時必須大于層高的1/16，剪力墻其他結構的厚度不可以小于160mm，如果剪力墻的端頭沒有涉及到翼墻，則需要大于層高的1/12。但相關規定不是所有建筑類型都適用，假如在高層結構設計或是多層結構設計時，如果建筑的層數在5～15層之內，這種條件下剪力墻重力荷載的軸壓比不能小于0.2，如果依據相關規定進行計算，剪力墻底部功能要求是3.9m層高，墻體的厚度為240mm。如果發生這種情況，設計人員必須與自身的設計經驗相結合，進行概念設計分析，對墻肢的軸壓比進行重新規劃，并對剪力墻墻體的截面強度進行驗算，合理設置配筋率，在保證剪力墻的綜合性能達到要求條件下，降低墻體的厚度。

3.4.2 墻體配筋率的設計

我國明確規定，在建筑結構設計的抗震不同級別的剪力墻結構時，水平與豎直方向最小的配筋率不能太小，多數框支剪力墻的底部位置的配筋率不能小于0.3%。這個要求在長度比較長或是高度比較高的剪力墻中應用能有效提升建筑結構的穩固性，但在低矮的剪力墻中應用必須確定配筋率的合理性。

3.5 連梁設計及優化

連梁具有承擔連接墻肢的作用，墻肢會在較大水平的負荷作用下出現彎折情況，從而影響連梁平直度，會對剪力墻整體結構的穩固性產生破壞。通過對墻柱受力情況進行改善能避免墻肢彎折，為此，連梁設計的科學性在很大程度上對剪力墻結構整體的性能產生影響。連梁不是所有的剪力墻中的必要結構，但對帶有連梁的剪力墻而言，如果建筑結構設計不具合理性，會對建筑整體的質量產生影響，因此，在對連梁進行設計時，必須對以下幾點內容予以重視：1）減弱連梁的剛度，連梁的跨高比較低，與相連墻肢的剛度比較大，在產生水平的應力時會使連梁承受比較大的內力作用，從而導致連梁出現裂縫或是損壞，因此在結構設計時必須合理減弱連梁剛度，如果設防的烈度比較小，能適當的降低減弱量，如果設防的烈度比較大則可以適當地增加；2）增加剪力墻洞口的寬度，在降低連梁高度同時增加剪力墻洞口的寬度，能有效降低連梁的剛度，提升建筑結構抗震性能；3）與現實建筑結構設計情況相結合增加剪力墻的厚度。

3.6 合理確定剪力墻結構邊緣構件

剪力墻布置完成后合理確定剪力墻邊緣構件顯得尤為重要。設置剪力墻邊緣構件目的是為了增加墻體的延性，增大耗能能力，從而進一步降低其他結構構件的抗震需求。剪力墻邊緣構件一般指的是剪力墻中的暗柱或者端柱，暗柱一般位于墻肢平面的端部、轉角以及剪力墻開較大洞口后洞口兩邊位置。在剪力墻中設置邊緣構件，既可提高墻體的承載力，又能提高墻體的延性。

4 結語

總的來說，在當今的社會經濟環境下，我國城市化的不斷建設，可供使用的土地資源面積越來越小，住宅建筑工程的建設多以高層建筑為主，但這樣的建筑工程對整體結構的穩固性具有更高的要求，必須對建筑結構設計進行全面考量。剪力墻結構因為自身具有的優勢特點，在高層建筑結構的設計中得到廣泛應用，在結構設計時，必須對結構設計要點以及設計內容進行科學規劃，使剪力墻結構能在建筑結構中得到較好應用，以此確保建筑結構整體質量。