裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

尚天嬌

（安徽省醫(yī)藥設(shè)計(jì)院，合肥 230000）

1 前言

目前，我國(guó)的大中城市已有不少高層建筑，為節(jié)約大量的資源和能源，應(yīng)采用裝配式剪力墻的結(jié)構(gòu)形式。與傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)施工方法相比，裝配式建筑施工不僅可以極大地簡(jiǎn)化施工過程，而且還可以降低整體的造價(jià)。因此，許多住宅小區(qū)和安置房都使用了這種裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)。但由于剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求很高，既要保證室內(nèi)空間的完整性，又要有很高的預(yù)制率，目前這種建筑設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)尚不完善。因此，要在較短的時(shí)間內(nèi)施工完成，確保工程項(xiàng)目的質(zhì)量，需要加強(qiáng)對(duì)裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)的概念

剪力墻又稱為結(jié)構(gòu)墻，其屬于剪力墻體，其的厚度比普通的墻要薄，但其的施工規(guī)模要大得多，通常采用混凝土板材料作為框架結(jié)構(gòu)中的梁、柱，來承擔(dān)外部的壓力，因此剪力墻的整體承載性能要比普通的墻大得多，并能對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)的水平力進(jìn)行控制。剪力墻結(jié)構(gòu)是建筑物的主要承重結(jié)構(gòu)，其所承受的荷載主要是由外部因素如風(fēng)力、地震等引起的水平方向荷載。剪力墻可以很好地抵抗外界的干擾，增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定。按剪力墻的開洞分布情況，可將其劃分為多肢剪力墻、雙肢剪力墻、壁式框架剪力墻等[1]。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

3.1 經(jīng)濟(jì)性

與傳統(tǒng)的框架式梁柱相比，剪力墻結(jié)構(gòu)的造價(jià)要高，但是從安全性上來說，剪力墻結(jié)構(gòu)具有鋼筋與混凝土相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，不需要其他的輔助材料，既節(jié)省了時(shí)間和資金，又提高了工程項(xiàng)目的整體經(jīng)濟(jì)效益[2]。

3.2 穩(wěn)定性

因?yàn)榧袅κ怯娩摻詈突炷两M合而成，從外觀上來看，使用效果要優(yōu)于傳統(tǒng)的梁柱，而且承載性能也更強(qiáng)。

3.3 連續(xù)性

在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，通過分區(qū)劃分將各個(gè)構(gòu)件區(qū)分開來，按照橫向和縱向的方式進(jìn)行維護(hù)，從而增強(qiáng)了剪力墻的連續(xù)性，即便現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)形式是獨(dú)立的，但是也能使建筑物可以形成一個(gè)整體。

3.4 規(guī)則性

由于建筑內(nèi)部空間的用途有差異，有關(guān)設(shè)計(jì)人員將其按用途進(jìn)行分區(qū)，推動(dòng)了整體的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)則化，方便日后的維護(hù)。

4 剪力墻結(jié)構(gòu)在裝配式建筑結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)原則

4.1 最大位移與層高比調(diào)整

在剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，要科學(xué)地處理剪力、變形等問題，以防止各樓層間產(chǎn)生大的位移。在此基礎(chǔ)上，在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮到各層層間的最大位移及各層層高的比例調(diào)整，以確保整體設(shè)計(jì)工作達(dá)到整體的要求，確保設(shè)計(jì)目的的科學(xué)化，并提高其應(yīng)用效果，為今后的裝配式建筑設(shè)計(jì)工作提供強(qiáng)有力的支撐[3]。

4.2 最小建立系數(shù)的調(diào)整

根據(jù)目前裝配式建筑的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，從整體上考慮剪力墻的設(shè)計(jì)和布局，同時(shí)在滿足水平地震力的前提下，充分考慮大開間剪力墻結(jié)構(gòu)的同時(shí)，適當(dāng)減少其在工程中的應(yīng)用，以增加其側(cè)向剛度。在實(shí)際工程中，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照最小層間剪力系數(shù)調(diào)整的原則，從而使結(jié)構(gòu)抗震性能提高，使剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作能夠很好地完成，從而使其在裝配式建筑施工中取得明顯的成效。

4.3 連梁超限調(diào)整

為了使剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)效果，使其能夠滿足實(shí)際施工的要求及可靠性要求，設(shè)計(jì)人員需要充分考慮連梁的超限調(diào)節(jié)原則，并強(qiáng)化剪力墻的連梁跨比控制，既保證剪力墻結(jié)構(gòu)的最大彎矩，又能保證剪力墻結(jié)構(gòu)的剪力在合理的范圍內(nèi)。同時(shí)，為了確保剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)效果，必須充分考慮工程造價(jià)，同時(shí)調(diào)整連梁的跨比、高度，提高剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在裝配式建筑中的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[4]。

5 剪力墻結(jié)構(gòu)在裝配式建筑結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 嚴(yán)格把控各項(xiàng)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

首先，需要對(duì)振型數(shù)進(jìn)行合理的計(jì)算。在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，為了更好地掌握各個(gè)系數(shù)和工程質(zhì)量，確保結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案是合理的，應(yīng)保證振型數(shù)大于起初設(shè)定的數(shù)值。其次，需要計(jì)算墻體豎向分布筋的配筋率。通常情況下，配筋率的大小是以實(shí)際的配筋率為標(biāo)準(zhǔn)，這樣可以減少總體的計(jì)算誤差。最后，最小地震剪力系數(shù)的確定。根據(jù)工程實(shí)際操作條件，采用最小剪力系數(shù)作為結(jié)構(gòu)的抗震性能指標(biāo)，對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行明確，從而確保建筑的穩(wěn)定性[5]。

5.2 豎向結(jié)構(gòu)布置的合理性

由于豎向受力構(gòu)件的轉(zhuǎn)換過程會(huì)對(duì)建筑物的豎向剛度產(chǎn)生一定的影響，因此，應(yīng)在建筑物的豎向上增加剪力墻轉(zhuǎn)換層的垂直結(jié)構(gòu)，從而保證剪力墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。為了對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)行有效的控制，必須采取控制剪力墻的轉(zhuǎn)換層的傳力方式，保證由上至下所有傳力路徑的一致性，避免在水平方向上進(jìn)行多級(jí)轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換梁上層墻體和中支柱的位置的選取時(shí)，必須要有相應(yīng)的孔洞，這樣才能起到加強(qiáng)豎向承載力的作用。若要在施工過程中進(jìn)行多級(jí)轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換層的基礎(chǔ)上，要采用相同的傳力方法，同時(shí)在轉(zhuǎn)換層的主體結(jié)構(gòu)上加豎向的抗側(cè)力構(gòu)件，以確保整體的穩(wěn)定。

5.3 完善平面結(jié)構(gòu)布置

在剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，需要有一個(gè)合理的平面結(jié)構(gòu)布局為基礎(chǔ)，才能保證其正常工作。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，要遵循整體的原則，并且要對(duì)平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體控制，以保證結(jié)構(gòu)的均勻?qū)ΨQ。此外，在平面結(jié)構(gòu)布局環(huán)節(jié)中，當(dāng)建筑物的長(zhǎng)、寬都比較大且結(jié)構(gòu)不規(guī)則的時(shí)候，需要保證其適用性和結(jié)構(gòu)的合理性。在進(jìn)行剪力墻布置時(shí)，應(yīng)遵循“沿周布設(shè)”的原則，增強(qiáng)整體的抗扭轉(zhuǎn)能力，保證結(jié)構(gòu)的剛性中心與質(zhì)量中心的有效一致，從而在發(fā)生地震時(shí)，通過減小扭轉(zhuǎn)力來確保建筑整體的質(zhì)量[6]。

5.4 連梁的設(shè)計(jì)

連梁是剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要組成部分，它的主要作用是對(duì)剪力墻的水平方向受力進(jìn)行有效的控制，避免發(fā)生強(qiáng)迫變形，從而確保結(jié)構(gòu)的整體安全。因此，在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到連梁控制工作的重要性，確保其合理、科學(xué)。在剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，常發(fā)生超筋問題，可采取對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整的方法，如：對(duì)連梁彎矩、剪力塑性等進(jìn)行調(diào)節(jié)，并可以對(duì)連梁截面整體高度進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤Ｔ谶B梁受破壞后，只要剪力墻結(jié)構(gòu)豎向承載力不發(fā)生明顯的改變，可以對(duì)墻肢構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化整體布置，從而提高剪力墻結(jié)構(gòu)性能[7]。

6 剪力墻結(jié)構(gòu)在裝配式建筑結(jié)構(gòu)中保證設(shè)計(jì)效果的有效方法

6.1 對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行嚴(yán)格地把控

要提高剪力墻結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)水準(zhǔn)，應(yīng)對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行嚴(yán)格的控制，合理地運(yùn)用創(chuàng)新性與精細(xì)化設(shè)計(jì)理念，通過加強(qiáng)對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程的控制，以保證對(duì)其進(jìn)行有效的控制。在此過程中，為進(jìn)一步提高剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平，必須重視細(xì)節(jié)問題的處理。同時(shí)，需要認(rèn)識(shí)到信息化和精細(xì)化管理的重要性，進(jìn)一步完善剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程控制，提高其整體應(yīng)用和技術(shù)操作水平。

6.2 確保參數(shù)數(shù)據(jù)的合理性

在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，需要先計(jì)算出整體的振型數(shù)，然后才能決定結(jié)構(gòu)的系數(shù)質(zhì)量，從而保證剪力墻的設(shè)計(jì)是合理的。振型數(shù)一般取決于建筑的類型，而高層建筑的振型數(shù)一般都在15以上。在設(shè)定各參數(shù)時(shí)，需要對(duì)各構(gòu)件的配筋率和縱向分布情況進(jìn)行全面的計(jì)算與分析，并依據(jù)配筋率來決定構(gòu)件尺寸，以減小整體計(jì)算誤差。此外，由配筋率計(jì)算得到受彎鋼筋的最終數(shù)值[8]。

7 剪力墻結(jié)構(gòu)在裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

7.1 基礎(chǔ)方案及承重構(gòu)件的設(shè)計(jì)

根據(jù)建筑周圍的地質(zhì)條件和水文條件，制訂剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，確定其周圍的建筑布局和施工技術(shù)，并對(duì)其進(jìn)行合理的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步改善地基基礎(chǔ)方案的設(shè)計(jì)效果。

設(shè)計(jì)人員需要對(duì)原有的地基基礎(chǔ)方案進(jìn)行修改，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的施工條件，在相關(guān)規(guī)范的框架內(nèi)對(duì)承重構(gòu)件進(jìn)行規(guī)劃，從而確保結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定。在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注墻體的配筋比例，其水平方向和豎向分布筋的最小配筋比例不得超過0.25%，部分框架支剪力墻的下部加強(qiáng)區(qū)域，其配筋比例必須高于0.3%[9]。在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須先確定其地基基礎(chǔ)方案的重要性，對(duì)承重構(gòu)件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化進(jìn)行控制，選用合理的施工規(guī)范和工藝參數(shù)，以防止因設(shè)計(jì)偏差而造成的安全隱患，從而提高設(shè)計(jì)方案的實(shí)施效果。

7.2 基于受力的科學(xué)計(jì)算，優(yōu)化剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

剪力墻結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮豎向荷載與水平荷載兩方面的影響，在合理確定受力的基礎(chǔ)上，確保剪力墻在適當(dāng)?shù)妮d荷和壓力作用下，進(jìn)行合理的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以達(dá)到施工安全的要求。在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，需要對(duì)其寬度和最小剪力系數(shù)進(jìn)行合理的分析。根據(jù)我國(guó)有關(guān)建筑剪力墻的設(shè)計(jì)規(guī)范，提出了在減小結(jié)構(gòu)自身重量的前提下，保證其抗震、抗風(fēng)性能。由于普通剪力墻的抗側(cè)剛度偏低，因此，在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)設(shè)置大跨度的剪力墻，或采用大剛性的內(nèi)筒，以彌補(bǔ)此類結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度不足。科學(xué)合理的剪力墻不僅能保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而且還能提高其抗震性能。總之，剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要根據(jù)實(shí)際情況，在合理的承載力計(jì)算基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)[10]。

7.3 剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)雙向設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能保證兩個(gè)方向的剛度相同，從而形成空間結(jié)構(gòu)。尤其是抗震設(shè)防區(qū)域，需要保證剪力墻平面均勻分布，使結(jié)構(gòu)的剛性中心盡可能接近建筑物的中心，以減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)作用。剪力墻的側(cè)剛度較高，自振周期短，水平地震作用較大，因此對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能有較大的影響，因此，可以通過在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中減小縱向的厚度，或者通過主、副結(jié)構(gòu)的形式來增大墻間距，減小墻的數(shù)目，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度控制，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，減小水平剪切。剪力墻最大的特征是其平面剛度和承載力高，而平面外剛度和承載力相對(duì)較弱，若將剪力墻與平面外向梁聯(lián)接，則會(huì)增大墻體的外彎矩；如果梁高比墻體厚度高出2倍以上，那么梁端的彎矩將會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生一定的影響，所以需要采用合理的設(shè)計(jì)手段來確保其安全。當(dāng)樓面截面較小時(shí)，可以采用半剛連接的形式，對(duì)墻肢平面的外彎矩進(jìn)行控制。

7.4 剪力墻約束邊緣構(gòu)件設(shè)計(jì)

在建筑結(jié)構(gòu)剪力墻的設(shè)計(jì)中，往往忽視了邊緣構(gòu)件的設(shè)計(jì)，但事實(shí)上，邊緣構(gòu)件在整體剪力墻中起著重要的作用。通常，剪力墻的邊緣構(gòu)件可以分成兩類：一是約束性邊緣構(gòu)件；另外一種是無約束性邊緣構(gòu)件，通過對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)無約束性邊緣構(gòu)件的承載力小于40%時(shí)，其在全區(qū)域內(nèi)的地震耗能就會(huì)減少，甚至?xí)?duì)整體墻體的穩(wěn)定產(chǎn)生不利的影響。此外，有關(guān)設(shè)計(jì)人員要根據(jù)目前的建筑現(xiàn)狀進(jìn)行分析，既要保證剪力墻的設(shè)計(jì)質(zhì)量，又要滿足當(dāng)今社會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的要求。

8 結(jié)論

在裝配式建筑中進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，不僅可以有效降低建筑能耗，還可以為今后的建筑設(shè)計(jì)工作指明一個(gè)清晰的方向。在裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)明確其設(shè)計(jì)流程與設(shè)計(jì)原則，保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的科學(xué)和合理的聯(lián)系，從而提高其整體設(shè)計(jì)水平。在此過程中，應(yīng)不斷改進(jìn)剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，建立高品質(zhì)的設(shè)計(jì)方案，以保證其整體的質(zhì)量，保證其安全可靠，并能適應(yīng)建筑工程發(fā)展的要求。