剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

劉書賢

(蘇州眾通規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 蘇州 215100)

在眾多建筑工程項(xiàng)目中，剪力墻結(jié)構(gòu)能夠被廣泛應(yīng)用在設(shè)計(jì)和施工階段之中，呈現(xiàn)更加穩(wěn)定以及可持續(xù)的工程設(shè)計(jì)理念，保障建筑物內(nèi)部和外部空間資源的科學(xué)規(guī)劃層次基本不變。在對(duì)建筑物外層剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面以及立體設(shè)計(jì)的過程中，需要對(duì)建筑物水平荷載與豎向荷載之間存在的功能差異以及數(shù)值偏差情況進(jìn)行定量測(cè)算和統(tǒng)計(jì)分析，及時(shí)制定科學(xué)的設(shè)計(jì)方案。

1 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

1.1 拉通對(duì)直

不論建筑結(jié)構(gòu)材質(zhì)是何種類型，在進(jìn)行簡(jiǎn)歷墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的過程中，需要嚴(yán)格遵循拉通對(duì)直的基本設(shè)計(jì)原則，才能夠呈現(xiàn)更加穩(wěn)定的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果。在剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，需要將門窗框架結(jié)構(gòu)與洞口保持垂直，合理規(guī)劃建筑結(jié)構(gòu)的具體傳力途徑，才能夠動(dòng)態(tài)均衡建筑物的水平以及豎向荷載[1]。建筑物的剪力墻結(jié)構(gòu)需要具備抗震性能，因此需要沿著軸線對(duì)此類結(jié)構(gòu)進(jìn)行拉通對(duì)直操作，避免影響到建筑物結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和安全性，還可以充分避免建筑物樓體和剪力墻結(jié)構(gòu)存在重疊或者錯(cuò)洞的問題。拉通以及對(duì)直操作，是建筑設(shè)計(jì)軟件工具中經(jīng)常用到的操作模式之一，并嚴(yán)格比對(duì)建筑物寬度高度等各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)指標(biāo)是否與剪力墻結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)適配。根據(jù)拉通對(duì)直的剪力墻設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)人員在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面和空間設(shè)計(jì)的過程中，需要精準(zhǔn)輸出總施工平面圖，運(yùn)用特殊顏色標(biāo)記剪力墻結(jié)構(gòu)的具體數(shù)據(jù)參數(shù)[2]。

1.2 雙向布置

在對(duì)建筑物的剪力墻進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，遵循雙向布置的基本設(shè)計(jì)原則，才能夠動(dòng)態(tài)均衡水平以及豎向荷載，充分保障建筑物整體結(jié)構(gòu)的抗震性和穩(wěn)固性。在對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行雙向布置的過程中，設(shè)計(jì)師需要對(duì)平面和立體三維模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，并將該結(jié)構(gòu)的雙側(cè)抗側(cè)力與剛度數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析，保證橫向和縱向兩個(gè)方向側(cè)剛度數(shù)據(jù)指標(biāo)之間的理論偏差和實(shí)際偏差在規(guī)定的誤差范圍之內(nèi)，對(duì)兩個(gè)方向的自振周期進(jìn)行全面測(cè)算，才能夠?qū)⒔ㄖ锖图袅Y(jié)構(gòu)進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)[3]。根據(jù)雙向布置的基本設(shè)計(jì)原則，很多建筑工程項(xiàng)目中的剪力墻結(jié)構(gòu)，能夠全面展現(xiàn)系統(tǒng)化以及立體化的力學(xué)特性指標(biāo)，并對(duì)橫向和縱向的荷載需求進(jìn)行充分滿足，這樣能夠顯著的提升各建筑物的整體抗震性能，并且還能減少建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的材料實(shí)際使用比列，從而有效的節(jié)約材料成本和施工成本。

1.3 豎向貫穿

在對(duì)建筑工程項(xiàng)目中的剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)的過程中，需要遵循豎向貫穿的基本設(shè)計(jì)原則，才能夠進(jìn)一步均衡此類建筑結(jié)構(gòu)的水平和豎向荷載，及時(shí)構(gòu)建更加安全完整的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系，并能夠根據(jù)單元?jiǎng)偠葦?shù)據(jù)參數(shù)的變化區(qū)間，動(dòng)態(tài)調(diào)整各項(xiàng)貫穿數(shù)據(jù)參數(shù)，充分保障此類結(jié)構(gòu)的承載力和剛度處于合理范圍之內(nèi)。根據(jù)豎向貫穿的基本設(shè)計(jì)原則，在對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)特性分析的過程中，不能夠忽略此類墻體的剛度和厚度數(shù)據(jù)指標(biāo)是否存在明顯變化，并需要對(duì)各類結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行模擬分析和預(yù)測(cè)，才能夠充分保障單元?jiǎng)偠葦?shù)據(jù)指標(biāo)能夠與側(cè)剛度數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行相互抵消，并充分提升此類結(jié)構(gòu)的抗震性能[4]。在嚴(yán)格遵循豎向貫穿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則過程中，相關(guān)的設(shè)計(jì)師會(huì)及時(shí)規(guī)避剛度突變位置對(duì)抗震性能指標(biāo)產(chǎn)生的負(fù)面影響，并對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的主要體型和尺度進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃與統(tǒng)籌設(shè)計(jì)。

1.4 洞口上下對(duì)齊，成列布置

在建筑剪力墻結(jié)構(gòu)中，就要遵循洞口上下對(duì)齊、成列布置的基本設(shè)計(jì)原則，才能夠有效分散水平以及縱向荷載，并保證整體建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗震性基本不變[5]。根據(jù)建筑物的具體朝向和高度寬度等數(shù)據(jù)參數(shù)，不同類別的剪力墻結(jié)構(gòu)需要具備橫平豎直等特點(diǎn)，其中孔洞是影響整體承載力以及剛度數(shù)據(jù)參數(shù)的核心因素，因此需要及時(shí)布置弱梁結(jié)構(gòu)分散荷載，但是需要將墻肢長(zhǎng)度控制在8m之內(nèi)。但是在設(shè)置孔洞的過程中，需要對(duì)建筑物主體功能以及各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行客觀評(píng)估和統(tǒng)計(jì)分析，并確保洞口位置以及尺寸的合理性以及可約束性，并將建筑主體結(jié)構(gòu)與輔助固定結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)特性測(cè)算，確定孔洞位置和尺寸的數(shù)值區(qū)間符合設(shè)計(jì)要求。按照洞口上下對(duì)齊以及成列布置的基本設(shè)計(jì)原則，能夠充分保證剪力墻結(jié)構(gòu)的核心承載力以及高度數(shù)據(jù)參數(shù)在規(guī)定設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。

1.5 與建筑高度適配

在實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖紙和方案需要與建筑高度進(jìn)行適配，才能夠呈現(xiàn)更加穩(wěn)定和諧的建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析狀態(tài)。尤其對(duì)于實(shí)體剪力墻、小開口剪力墻、連肢剪力墻、壁式框架剪力墻等，都能夠呈現(xiàn)非常穩(wěn)定的承載狀態(tài)以及剛度數(shù)據(jù)參數(shù)，但是部分剪力墻結(jié)構(gòu)不能夠大面積應(yīng)用在高層建筑之中，以免出現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)受力不均勻以及局部彎矩過大等情況。在對(duì)建筑高度和寬度尺度等相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行重點(diǎn)測(cè)算和統(tǒng)計(jì)分析的過程中，就要對(duì)特定類型的剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，保障建筑主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗震性基本不變。在對(duì)高層建筑進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，需要根據(jù)剪力墻結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)平面設(shè)計(jì)指標(biāo)和空間資源之間的匹配度，還需要從橫向和縱向兩個(gè)視角進(jìn)行詳細(xì)的力學(xué)測(cè)算，才能夠確定剪力墻結(jié)構(gòu)與建筑高度之間的適配性。

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(shù)量、增加豎直墻體數(shù)量、增加配筋率等，可結(jié)合實(shí)際條件靈活地選擇。因此在對(duì)建筑剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，需要對(duì)墻肢平面外彎矩等各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)的合理區(qū)間范圍進(jìn)行詳細(xì)測(cè)算和統(tǒng)計(jì)分析，并保障剪力墻結(jié)構(gòu)橫向和縱向承載力范圍的穩(wěn)定性，對(duì)墻肢以及弱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的應(yīng)力計(jì)算，保障承載力范圍的均勻性和統(tǒng)一性。為及時(shí)降低墻肢結(jié)構(gòu)的平面外彎矩指標(biāo)，設(shè)計(jì)師可以對(duì)垂直墻體的具體數(shù)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)以及模擬分析，將裝配式結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的具體配筋率進(jìn)行科學(xué)籌劃和約束，確保現(xiàn)澆段和裝配段都能夠呈現(xiàn)穩(wěn)定的承載狀態(tài)，并能夠進(jìn)一步凸顯剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能特征。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用

2.1 基礎(chǔ)和承重構(gòu)件設(shè)計(jì)

在建筑工程項(xiàng)目的實(shí)際建設(shè)和施工過程中，剪力墻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)和承重構(gòu)件能夠保障建筑物不同方向上受力狀態(tài)的穩(wěn)定性，因此在進(jìn)行整體設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)師需要對(duì)配筋率等關(guān)鍵數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)測(cè)算，才能夠?qū)崿F(xiàn)更加安全和穩(wěn)定的建筑施工作業(yè)目標(biāo)。設(shè)計(jì)師需要根據(jù)建筑工程項(xiàng)目所處的場(chǎng)地環(huán)境條件以及地質(zhì)條件，對(duì)水平和豎直方向上的配筋率指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)測(cè)算。設(shè)計(jì)師應(yīng)將墻體配筋率作為剪力墻承重構(gòu)件設(shè)計(jì)的關(guān)注重點(diǎn)，水平和豎直方向的配筋率不應(yīng)低于0.25%，少數(shù)框支剪力墻結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)位置的配筋率應(yīng)不少于0.3%。因此在對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)以及承重構(gòu)件設(shè)計(jì)工作的過程中，還需要全面考量現(xiàn)澆段以及裝配式構(gòu)件材料的配置比例是否科學(xué)合理，并對(duì)剪力墻的外平面墻肢結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面測(cè)算和統(tǒng)計(jì)分析，只有這樣才能夠充分提升此項(xiàng)設(shè)計(jì)方案和施工圖紙的精準(zhǔn)度和限額設(shè)計(jì)水準(zhǔn)。

2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在建筑工程項(xiàng)目中，剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和圖紙需要呈現(xiàn)更加穩(wěn)定的抗震防御性能，因此需要對(duì)內(nèi)部和外部建筑結(jié)構(gòu)的剛度和應(yīng)力數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格管控。很多配置剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑物，需要進(jìn)行雙向設(shè)計(jì)，對(duì)墻體內(nèi)部的固定墻肢長(zhǎng)度有較高的要求，因此需要對(duì)剪力墻的剛度中心位置進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)算，才能夠保障墻肢長(zhǎng)度與連梁高度等數(shù)據(jù)指標(biāo)的科學(xué)性以及合理性。若剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度中心位置與建筑物中心位置存在較大偏離，則需要及時(shí)調(diào)整墻肢長(zhǎng)度以及連梁高度數(shù)據(jù)參數(shù)，但是需要保障建筑物主體框架結(jié)構(gòu)的可控性和安全性。由于中低層建筑物的剪力墻結(jié)構(gòu)普遍具有較強(qiáng)的承載能力以及平面剛度，但是對(duì)指定平面外的承載力以及剛度相對(duì)較弱，因此需要合理選用平面外方向梁結(jié)構(gòu)，才能夠?qū)雱偨釉O(shè)計(jì)方案中的墻肢平面彎矩參數(shù)進(jìn)行適度調(diào)整和優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于剪力墻具有較強(qiáng)的抗側(cè)剛性，結(jié)構(gòu)自振周期較短，承受的水平地震作用較大，這樣就很有可能會(huì)影響結(jié)構(gòu)的整體性能。為了減少水平地震剪力對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響，還可以通過減少墻體的厚度，在主次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中增大墻體間距，減少墻體總數(shù)等方式降低結(jié)構(gòu)整體自重，從而增加結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度。

2.3 大墻肢處理

在對(duì)建筑物的剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面設(shè)計(jì)和立體空間建模設(shè)計(jì)的過程中，需要對(duì)大墻肢結(jié)構(gòu)進(jìn)行集中處理，避免影響到建筑物主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及安全性，還需要對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)中的不穩(wěn)定因素進(jìn)行集中處理。大墻肢與短墻肢結(jié)構(gòu)普遍適用于不同類型的建筑工程項(xiàng)目建設(shè)條件，可以采用短距離開孔等方式，在施工結(jié)束后及時(shí)封堵孔洞，避免影響到剪力墻結(jié)構(gòu)的整體空間抗震性能指標(biāo)。在保證剪力墻結(jié)構(gòu)滿足建筑承載要求的前提下，可采用封層間隔的設(shè)計(jì)形式將長(zhǎng)度較大的剪力墻結(jié)構(gòu)劃分成一定數(shù)量的獨(dú)立墻段，提高其穩(wěn)定性，避免建筑在投入使用后因外力的作用對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)整體造成破壞。除此之外，若需要對(duì)建筑物四周墻體墻面進(jìn)行全面加固，也可以根據(jù)大墻肢結(jié)構(gòu)的具體空間位置關(guān)系分布規(guī)則，及時(shí)調(diào)整大墻肢的配筋數(shù)量和比例，并將部分裝配式構(gòu)件材料與現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的橫向縱向固定措施進(jìn)行力學(xué)評(píng)估，確保大墻肢和短墻肢結(jié)構(gòu)的承載力和剛度符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 剪力墻厚度控制與配筋

在各類建筑工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)以及施工過程中，對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的厚度控制以及配筋設(shè)計(jì)工作非常關(guān)鍵，并且需要根據(jù)指定的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)技術(shù)規(guī)范，設(shè)定建筑工程項(xiàng)目的抗震等級(jí)，并將建筑物的各項(xiàng)功能系統(tǒng)和性能數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。在對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行厚度控制和配筋設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)師需要對(duì)高厚比數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行全面測(cè)算，若高厚比小于四，則可以充分借鑒柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，若高厚比約等于四，則可以充分借鑒異形柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，全面設(shè)計(jì)雙向受壓結(jié)構(gòu)。根據(jù)國家的相關(guān)規(guī)定和要求，若建筑物的抗震等級(jí)是一級(jí)或者二級(jí)，則需要對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行底部加強(qiáng)，確保底部厚度大于200mm，并且需要與建筑物樓層的1/16高度進(jìn)行嚴(yán)格的對(duì)比測(cè)算。剪力墻結(jié)構(gòu)的其他厚度數(shù)據(jù)指標(biāo)不能夠小于160mm，普遍適用于中低層建筑工程項(xiàng)目。除此之外，設(shè)計(jì)師在控制剪力墻結(jié)構(gòu)厚度的過程中，還需要嚴(yán)格參照墻體截面的強(qiáng)度指標(biāo)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)參數(shù)，可以適當(dāng)調(diào)整墻體厚度指標(biāo)，以保證建筑物抗震性能以及穩(wěn)定性能為基礎(chǔ)。根據(jù)國家相關(guān)規(guī)定，無論建筑物的抗震等級(jí)是一、二級(jí)以及三級(jí)，都需要嚴(yán)格控制簡(jiǎn)歷墻結(jié)構(gòu)的配筋比例，確保建筑物外部墻體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，為后續(xù)施工作業(yè)奠定基礎(chǔ)。

2.5 連梁設(shè)計(jì)和優(yōu)化

在眾多建筑工程項(xiàng)目中，連梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，是充分保障建筑物外部墻體穩(wěn)固性的關(guān)鍵基礎(chǔ)，也能夠進(jìn)一步約束和限制剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中的不合理數(shù)據(jù)參數(shù)。尤其在剪力墻基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和承重構(gòu)件設(shè)計(jì)方案中，需要避免出現(xiàn)長(zhǎng)墻肢與短墻肢結(jié)構(gòu)失衡的問題，也會(huì)直接關(guān)聯(lián)到柱結(jié)構(gòu)和梁結(jié)構(gòu)的承載力以及剛度數(shù)據(jù)參數(shù)。因此需要根據(jù)剪力墻結(jié)構(gòu)中墻肢的受力情況，選用不同的連梁設(shè)計(jì)方案，充分保障梁體截面數(shù)據(jù)參數(shù)與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相匹配。設(shè)計(jì)師可以選用折減連梁剛度參數(shù)的方式，有效提升墻肢結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，并顯著提升剪力墻墻體結(jié)構(gòu)的安全性。除此之外，設(shè)計(jì)師還可以及時(shí)調(diào)整剪力墻結(jié)構(gòu)中的洞口寬度，避免影響到水平和豎向受力狀態(tài)的穩(wěn)定性，還可以適當(dāng)增加剪力墻結(jié)構(gòu)的厚度，充分保障建筑物主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

3 結(jié) 語

剪力墻結(jié)構(gòu)在高層建筑中占據(jù)著非常重要的位置，是保障總體建筑可靠性、安全性的關(guān)鍵要素。而在進(jìn)行高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí)，必須要保障高層建筑質(zhì)量得到有效提升。剪力墻結(jié)構(gòu)具有剛度大、承載力強(qiáng)、抗震、抗風(fēng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑工程項(xiàng)目中，發(fā)揮著抗震、承重等作用。在對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，需要考慮其與其他結(jié)構(gòu)的連接性，這樣才能保證整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。為了能夠充分發(fā)揮出剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，相關(guān)設(shè)計(jì)人員必須要對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)加以分析，并且掌握該結(jié)構(gòu)應(yīng)用過程中的要點(diǎn)，進(jìn)一步突出剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，使該結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)一步提升建筑的整體質(zhì)量。