民用建筑中剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)探析

劉斌

中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司 江西 南昌 330000

1 前言

為了能夠充分地將剪力墻的作用發(fā)揮到實(shí)際的民眾生活當(dāng)中，提高民用建筑的承載能力和抗震效果，做到真真正正的防風(fēng)減震，成為災(zāi)害中微薄生命的“避風(fēng)港”，就需要每一個(gè)設(shè)計(jì)師考慮多方面的因素，貼合實(shí)際可行性來(lái)制作出科學(xué)、精確、合理的剪力墻結(jié)構(gòu)方案，以此在維持建筑設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性和安全性的客觀情境下，設(shè)計(jì)出美觀的、真正符合民用價(jià)值的民用建筑。而現(xiàn)階段，隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展、人們生活水平的提高，以及社會(huì)基本矛盾的轉(zhuǎn)變，人們對(duì)于建筑設(shè)計(jì)的要求也有所提升，現(xiàn)代建筑不在只是一個(gè)維持生活必須的住所，而是在人們遇到困難之后心靈的歸處。因此，本文順應(yīng)時(shí)代潮流發(fā)展傾向，就結(jié)合剪力墻的相關(guān)介紹，對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從而歸納出設(shè)計(jì)剪力墻的結(jié)構(gòu)要注意的各方面要點(diǎn)。

2 剪力墻的有關(guān)概述

2.1 剪力墻結(jié)構(gòu)內(nèi)涵

根據(jù)受力特點(diǎn)來(lái)分類(lèi)，建筑中的墻可以分為承重墻和剪力墻，承重墻主要以承受豎向重力荷載為主，比如砌體墻，而剪力墻主要是以承受水平壓力荷載為主。在抗震設(shè)防區(qū)，水平荷載主要由水平地震作用產(chǎn)生，因此剪力墻，又被廣泛稱為抗風(fēng)墻、抗震墻等[1]。剪力墻主要是由使用鋼筋混凝土建筑而成的，其高度和寬度一般都是和一整個(gè)建筑物的高度和寬度相同的，可以做到有效防止房屋結(jié)構(gòu)在外來(lái)物沖擊下受到破壞。

理論上，剪力墻分為平面剪力墻和筒體剪力墻兩種，平面剪力墻更適用于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，又或者是無(wú)梁樓蓋體系等類(lèi)似體系中。為增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，以及防坍塌能力，在某些部位可現(xiàn)澆或預(yù)制裝配鋼筋混凝土剪力墻。現(xiàn)澆或預(yù)制的剪力墻與周邊梁、柱同時(shí)澆筑，這時(shí)的整體性會(huì)比較好。而筒體剪力墻則用于高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)和懸吊結(jié)構(gòu)中，由電梯間、樓梯間、設(shè)備及輔助用房的間隔墻圍成，筒壁均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土墻體，其剛度和強(qiáng)度較平面剪力墻可承受較大的水平荷載。

2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）剪力墻適用于分隔戶型較小的建筑中

剪力墻的運(yùn)用一般都存在于學(xué)校宿舍樓、員工宿舍、醫(yī)院住院部、酒店、賓館等分隔房間較多、戶型較小的民用建筑當(dāng)中，這是因?yàn)榧袅λ惺艿臋M向剛度很大，同時(shí)受到的水平力的也非常大，所以，為了將建筑高度加大、層數(shù)增多，許多建筑師都會(huì)運(yùn)用剪力墻來(lái)維持建筑平衡，將本來(lái)的大空間分割成小房間，以此達(dá)成建筑高樓大廈的目的。不僅如此，將大空間進(jìn)行分割，還可以增加剪力墻的利用度，若是能夠做到合理把控墻體之間的距離，可以使得剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮最大作用，從而減弱建筑所承受的橫向剛度，或者是水平力，這對(duì)于抗震防風(fēng)有較好的成效，對(duì)于維持建筑平衡也十分有利[2]。

（2）在剪力墻的結(jié)構(gòu)中，墻和樓板是一套強(qiáng)大的受力體系

剪力墻無(wú)非就是把墻與樓板聯(lián)系起來(lái)，將建筑的各個(gè)方面包圍起來(lái)的第三方工具，所以，墻體與樓板所產(chǎn)生的橫、縱向的重力和壓力幾乎承重在了剪力墻上，使得建筑整體上承受的力轉(zhuǎn)移至剪力墻上，間接地將建筑上承受的力減少，增加層數(shù)的危險(xiǎn)也就變得無(wú)需畏懼了。這樣的做法的好處就是不用擔(dān)心樓層的增加會(huì)給建筑帶來(lái)壓力，在強(qiáng)大的受力體系下也不用擔(dān)心小小的改造會(huì)給建筑帶來(lái)不可逆的危害，可以獲得最大的空間利用效果。但是也有一個(gè)十分致命的短處，就是剪力墻不能做任何的開(kāi)洞、破壞或者是拆除。如此說(shuō)來(lái)如果我們所購(gòu)買(mǎi)的房屋建筑若是帶有大量的剪力墻的話，對(duì)于室內(nèi)布局，我們無(wú)法自行地做過(guò)多的改造，這也剪力墻本質(zhì)上所具有的一個(gè)特征。

（3）剪力墻的結(jié)構(gòu)一般為底部大，然后逐步遞減

剪力墻的特殊結(jié)構(gòu)，在抗震防風(fēng)上具有重要作用，底部大，穩(wěn)定性才會(huì)比較高，上部小才能減小阻力，增加抗側(cè)力。例如，地震時(shí)，若剪力墻受到震感沖擊，首先會(huì)在底部形成塑性鉸，因此，在剪力墻底部出現(xiàn)塑性鉸現(xiàn)象之后，為了確保其能在強(qiáng)大的作用力下具有足夠抵御的延性，則需要對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的底部進(jìn)行加強(qiáng)，因此這就是底部相對(duì)于其他部分較大的主要原因[3]。一般情況下，當(dāng)房屋高度大于24m時(shí)，剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)取墻體總高度的1/10和底部?jī)蓪又g的較大者。不大于24m時(shí)，取底部一層即可。因此，建筑設(shè)計(jì)師在進(jìn)行底部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)注重底部是否需要加強(qiáng)的問(wèn)題。

若建筑的抗震效果比較好，其剪力墻底部必然會(huì)加強(qiáng)，建筑設(shè)計(jì)師在底部設(shè)計(jì)加強(qiáng)區(qū)，目的就在于在加強(qiáng)區(qū)的合理范圍內(nèi)，采取增加邊緣構(gòu)件的箍筋和墻體橫向鋼筋等必要的抗震加強(qiáng)措施，避免脆性的剪切被破壞，改善整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震性能。

好的設(shè)計(jì)就會(huì)有好的功能和效果。所以說(shuō)，建筑設(shè)計(jì)師在對(duì)剪力墻進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，也要充分考慮剪力墻的特殊結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。另外還需要特別關(guān)注的一點(diǎn)是，在近些年的建筑行業(yè)發(fā)展前景來(lái)看，短肢剪力墻的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，可以說(shuō)，可能現(xiàn)在絕大多數(shù)的高樓都在采用短肢剪力墻來(lái)維持高樓層的穩(wěn)定性與安全性，由于短肢剪力墻屬于寬度比較小的剪力墻，因此，我們?cè)趯?duì)室內(nèi)布局進(jìn)行改造時(shí)，就給予了我們一定的空間和自由，從而實(shí)現(xiàn)房間布置的靈活性，給自己一個(gè)溫馨、滿意的房屋設(shè)計(jì)。

3 設(shè)計(jì)穩(wěn)定的剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

3.1 使美觀與安全結(jié)為一體

首先，剪力墻本身的作用就是維持建筑的穩(wěn)定性與安全性，其次，高層房屋建筑的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系可以很好地連接各墻的梁，在隱蔽房梁的同時(shí)，還可以完美地隱蔽墻肢，讓建筑看起來(lái)更加美觀。雖然剪力墻的設(shè)計(jì)有一定的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，但是剪力墻在一定程度上，并不會(huì)影響其他建筑裝飾的設(shè)計(jì)與運(yùn)作，并且，在間隔墻的位置上建設(shè)豎向構(gòu)件，可以將建筑的結(jié)構(gòu)體系與功能體系之間的矛盾程度將到最低，從而使得建筑可以在安全的同時(shí)，依舊美觀、怡人。

3.2 增加建筑的抗側(cè)力

剪力墻結(jié)構(gòu)可以在墻與樓板之間形成受力體系，將建筑受力能力提高，從而增加建筑在災(zāi)害時(shí)的抗側(cè)力，例如龍卷風(fēng)、山體滑坡等，這樣就可以使建筑在災(zāi)害來(lái)臨時(shí)不容易坍塌，減少傷亡人數(shù)，以及將財(cái)產(chǎn)損耗程度降到最低。對(duì)于建筑設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，墻的數(shù)量的多少不會(huì)產(chǎn)生太大的影響，墻肢長(zhǎng)度也可長(zhǎng)可短，因?yàn)槠湓O(shè)定主要依靠抗側(cè)力大小的需要而定的。例如，在地震區(qū)的房屋自然要更加注重剪力墻的設(shè)計(jì)，盡量以增強(qiáng)房屋抗側(cè)力為主，而對(duì)于遠(yuǎn)離地球板塊縫隙的內(nèi)陸地來(lái)說(shuō)，自然是保證安全的同時(shí)，美觀和節(jié)約資源更為重要。建筑設(shè)計(jì)師還可以通過(guò)不同的尺寸的剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布置，來(lái)確定或調(diào)整剛度中心的位置。

3.3 使房屋改造更為靈活，給顧客提供更多的選擇方案

剪力墻結(jié)構(gòu)在如今中國(guó)建筑設(shè)計(jì)的運(yùn)用越來(lái)越普遍，在高樓層的住戶可以運(yùn)用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的功能，在不影響建筑安全和穩(wěn)定的客觀情況下，對(duì)房間設(shè)計(jì)布局進(jìn)行自我喜好的改造，這使得房屋布置更具靈活性。當(dāng)然，“魚(yú)和熊掌不可兼得”，因此，這樣的改造是以將低建筑穩(wěn)定性與安全性為代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3.4 滿足房屋建設(shè)的剛度、強(qiáng)度需求

依據(jù)民用建筑設(shè)計(jì)中的平面抗側(cè)力的要求，可以設(shè)計(jì)和運(yùn)用中心剪力墻結(jié)構(gòu)與其他剪力墻結(jié)構(gòu)，使建筑中心形成強(qiáng)大的抗側(cè)力能力體系，以此來(lái)滿足建筑剛度和強(qiáng)度的需求。剪力墻結(jié)構(gòu)是由一系列縱向、橫向剪力墻與樓蓋所共同組成的相互連接的空間結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)承受建筑的豎向荷載和水平荷載，是建設(shè)高層建筑中十分常用的結(jié)構(gòu)形式。由于縱向、橫向剪的力墻在其自身平面內(nèi)的剛度都很大，而在水平荷載作用下，側(cè)移又較小，因此這種結(jié)構(gòu)抗震及抗風(fēng)性能都較強(qiáng)，承載力要求也比較容易滿足，適宜于建造層數(shù)較多的高層建筑。

4 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

4.1 結(jié)合實(shí)際，巧妙設(shè)計(jì)合理可行的剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻的布置一般需要按照“均勻、對(duì)稱、分散、周邊”的原則來(lái)布置。將橫縱相近的剪力墻相互連接，形成字母L、T或正方形的形狀，將建筑的剛度和抗側(cè)力在整體上得到提高。但在長(zhǎng)矩形的建筑中，剪力墻應(yīng)該將間距縮減，沿著長(zhǎng)方向的橫向剪力墻稍作修改，使之更加貼合長(zhǎng)矩形建筑的設(shè)計(jì)。總而言之，對(duì)現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行考察，設(shè)計(jì)維護(hù)安全穩(wěn)定、實(shí)際可行的剪力墻結(jié)構(gòu)對(duì)于建筑建設(shè)百利而無(wú)一害。

例如，這幾年來(lái)被發(fā)現(xiàn)與運(yùn)用的框架剪力墻結(jié)構(gòu)，又稱為框剪結(jié)構(gòu)，它是框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)兩種特殊體系的結(jié)合體，吸取了各自的長(zhǎng)處的同時(shí)，又極大程度上地互補(bǔ)了各自的短處，兩種結(jié)構(gòu)的相互結(jié)合，既能為建筑平面布置提供較大的使用空間，又具有良好的抗側(cè)力性能。當(dāng)然，框剪結(jié)構(gòu)中的剪力墻還是可以單獨(dú)設(shè)置的，也可以利用電梯井、樓梯間、管道井等墻體來(lái)輔助設(shè)計(jì)，都能夠達(dá)到較好的效果。現(xiàn)如今，這種結(jié)構(gòu)已被廣泛地應(yīng)用于各類(lèi)房屋建筑。

4.2 注意剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要規(guī)范、科學(xué)

剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該要注重科學(xué)思考與規(guī)范操作，這樣才能保證建筑的安全性能。例如，需要對(duì)結(jié)構(gòu)的剛重比、側(cè)向剛度比等參數(shù)進(jìn)行控制，保證剪力墻結(jié)構(gòu)布置的科學(xué)合理性。嚴(yán)格把控剪力墻結(jié)構(gòu)相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算方式和配筋的配比，也就是說(shuō)，在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算時(shí)，對(duì)所要使用到的鋼筋數(shù)量進(jìn)行匹配和確定，滿足規(guī)范的最小配筋率要求，避免造成資源的大量浪費(fèi)，或是鋼筋數(shù)量不足導(dǎo)致穩(wěn)定輕不足或不強(qiáng)的情況出現(xiàn)[4]。

還需要注意的一點(diǎn)是，正如上文所說(shuō)到的關(guān)于剪力墻的特殊結(jié)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)用條件。其實(shí)這樣的剪力墻結(jié)構(gòu)也不算上是特殊的，無(wú)論是在傳統(tǒng)建筑還是在現(xiàn)代建筑中，剪力墻框架結(jié)構(gòu)都是上部層間相對(duì)較小，下部層間設(shè)計(jì)相對(duì)較大的，只有這樣的剪力墻設(shè)計(jì)才能在最大程度上增加建筑結(jié)構(gòu)的傾向剛度，因?yàn)椋@樣設(shè)計(jì)剪力墻框架結(jié)構(gòu)，可以減小上下結(jié)砍層間的相對(duì)位移比例和頂點(diǎn)的位移比例，在間接層面提高了剪力墻的剛度和強(qiáng)度。

4.3 將剪力墻結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)結(jié)合使用

對(duì)于外圍框架分隔的結(jié)構(gòu)框架的設(shè)計(jì)，因?yàn)榉指粜枨蟮牟灰恢拢瑢?dǎo)致結(jié)構(gòu)不對(duì)稱、不整齊，很難組成規(guī)則、對(duì)稱的柱網(wǎng)，使得柱網(wǎng)之間的橫截面大于隔墻的厚度，最后形成建筑柱子外露的后果，并且這種柱子外露的情況，會(huì)導(dǎo)致建筑傾側(cè)剛度與強(qiáng)度的降低，以及抗震能力、抗側(cè)能力的減弱，因此，為了解決這樣的問(wèn)題，建筑師們可以運(yùn)用豐富多樣的分隔形式。但是這時(shí)候另一個(gè)問(wèn)題又出現(xiàn)了，如果采取多樣化的分隔形式對(duì)建筑進(jìn)行分割，會(huì)很難滿足其他建筑功能對(duì)于建筑底部空間的需求，如此，我們就可以轉(zhuǎn)換思維，將底部空間處理成大框支。這樣不僅可以擴(kuò)大底部利用空間，還可以保證建筑分隔布局的靈活度，充分考慮現(xiàn)實(shí)條件，將剪力墻結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)巧妙地結(jié)合在一起，既提高了結(jié)構(gòu)整體的剛度，又增強(qiáng)了建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力。

4.4 設(shè)計(jì)完后應(yīng)注重檢查剪力墻是否是數(shù)量適宜、多向布置的

多方向地分布剪力墻，可以把不同方向的剪力墻連接在一起，從而避免出現(xiàn)單向的剪力墻結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定的問(wèn)題，將多方向的剪力墻組成一個(gè)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，相互借力，維持靜態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)，從而保證建筑功能的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，也提高了建筑的承重能力和穩(wěn)定能力。雖然剪力墻需要多向分布，但是剪力墻的設(shè)計(jì)必須要均勻、恰當(dāng)，若是剪力墻數(shù)量過(guò)少，會(huì)發(fā)生其結(jié)構(gòu)的抗震能力、承重能力以及抗側(cè)能力會(huì)有所下降的問(wèn)題，不僅如此，其剛度強(qiáng)度也會(huì)出現(xiàn)不足的情況；而當(dāng)剪力墻數(shù)量過(guò)多時(shí)，墻體的空間得不到綠色有效的利用，若是扎刪硼度太大，還會(huì)導(dǎo)致震感加強(qiáng)、自重加大[5]。這樣看來(lái)，剪力墻數(shù)量過(guò)多、過(guò)少都并非有利。

4.5 特殊情況下，注意震區(qū)剪力墻設(shè)計(jì)與其他剪力墻設(shè)計(jì)的區(qū)別

首先，從材料上來(lái)看，震區(qū)剪力墻結(jié)構(gòu)是上下兩種不同性質(zhì)的混合制結(jié)構(gòu)，底層多為混凝土堆砌而成，可以展示柔韌的作用，在震感強(qiáng)時(shí)，底部能以此做到稍微減震的效果，從而維持上部的穩(wěn)定；而上部是由磚砌體結(jié)構(gòu)組成的，可以在底部減震的同時(shí)，剛硬的墻體可以維持建筑整體的穩(wěn)定與平衡，就像是健美操運(yùn)動(dòng)時(shí)將一個(gè)人用另一個(gè)人的手掌舉起一樣，上身需要保持正直、緊繃，才不會(huì)半路摔倒。

其次，在震區(qū)剪力墻的設(shè)計(jì)中還值得注意的是，震區(qū)的剪力墻在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意其底部需要加強(qiáng)的部位一般不適合采用錯(cuò)洞墻的形式，并且其他部位都不可以疊合采用錯(cuò)洞墻的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，否則會(huì)影響其抗震效果。除此之外，震區(qū)建筑的墻肢高度不宜超過(guò)8m左右，并且最好能夠做到將墻段總高與墻肢高度的比例提高到2及以上。當(dāng)墻肢實(shí)在是太長(zhǎng)的時(shí)候，可以采用開(kāi)設(shè)洞口的形式，將各墻段之間設(shè)置弱連梁，維持抗震的最好狀態(tài)。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與建筑行業(yè)的快速發(fā)展，建筑設(shè)計(jì)中的剪力墻結(jié)構(gòu)體系也隨著高層建筑形式的多樣化而日漸增多。為了提高日常民用建筑的穩(wěn)定性、安全性、抗震性以及抗側(cè)力能力，將剪力墻結(jié)構(gòu)的功能和優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到最大程度，因此，建筑設(shè)計(jì)師需要更加注意剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否合理、準(zhǔn)確；剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否科學(xué)、規(guī)范；剪力墻數(shù)量布置是否合理可行；是否能將剪力墻結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)體系相互結(jié)合起來(lái)發(fā)揮最大優(yōu)勢(shì)；是否需要注意剪力墻在震區(qū)與其他地區(qū)所構(gòu)建的結(jié)構(gòu)有所不同等，從多方面思考剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所要注意的要點(diǎn)，盡量揚(yáng)長(zhǎng)避短，將優(yōu)勢(shì)盡可能的發(fā)揮出來(lái)，建造一個(gè)實(shí)用的、美觀的民用建筑。