建筑结构设计中剪力墙结构的概念理解及优化措施

赵鑫

（太原市建筑设计研究院，山西太原 030002）

剪力墙属于建筑结构设计中比较关键的组成部分。采用剪力墙结构，既可以满足建户型空间构的各项需求，又可以优化建筑结构的各项性能，提高建筑施工效率和质量。结构设计师在设计实践过程中，需结合我国建筑行业特点，多总结，对设计中存在的具体问题给予解决，加深对剪力墙结构形式的理解，合理优化剪力墙结构布置，以此充分发挥剪力墙的优势，增强建筑结构设计的整体效果。

1 剪力墙结构概述

在建筑结构以及附属物中，剪力墙结构是代替框架结构梁祝的钢筋混凝土墙板，水平力和竖向力则由剪力墙承受。其由墙身、墙柱、墙梁共同组成（见图1）。其设计的初衷是提高建筑结构的荷载能力和稳定性，避免在建筑物施工过程中遭到外力破坏，延长其使用寿命。剪力墙结构与其他结构形式相比，具有抗震性能优越、抗侧刚度高、用钢量较小等特点，广泛应用于高层住宅、公寓、酒店等建筑隔墙位置固定且空间要求较小的建筑项目中。

图1 剪力墙结构组成

2 对剪力墙结构部分概念的深化理解

2.1 剪力墙结构体系的深化理解

高层剪力墙结构体系可以类比成一根竖向截面箱型的悬臂梁。即高层剪力墙结构可以认为是从其自身地基上升起的竖向悬臂构件，承受着水平荷载（风、地震）和竖向荷载（恒活荷载），对于高层建筑结构，由于其受力的本质是悬挑，高层建筑结构受水平荷载（风、地震）的影响要大于竖向荷载的影响（底部弯矩与高度是正比平方的关系），此处是区别于多层建筑结构的地方。鉴于此，高层剪力墙结构的抗侧力构件肯定区别于多层框架结构，剪力墙平面内的刚度很大，是高层剪力墙结构中最重要的组成构件，我们利用建筑专业给定的墙体，布置剪力墙，因此从受力上讲，剪力墙实质就是一个平面内受力的悬挑梁。

2.2 连梁的深化理解

平面内，两端与剪力墙相连的梁，被称为连梁。一般在风荷载和地震荷载的作用下，连梁的内力往往很大。连梁是保证建筑安全的第一道防线，通过让梁形成延性破坏的方式达到耗能的效果。连梁跨高比越小，墙体联系越强，共同受力越好；可是连梁分配的弯矩和剪力越大，容易发生脆性破坏。跨高比大当然延性好，但降低了整体共同抵抗作用。因此在设计中，如果刚度有富裕，连梁设计得弱一些，协调变形能力和延性增强，也能避免超筋。一般来说，弱连梁可以保证塑性铰首先出现在连梁的两端，通过塑性铰继续传递弯矩和剪力，增加结构延性，消耗地震能量，延缓墙肢破坏，使剪力墙保持足够的刚度和强度，对结构抗震是有利的。同时也要注意，梁截面也不能设计太小，要保证能够承受地震作用所产生的弯矩和减力。

2.3 短肢剪力墙的深化理解

图2、3、4 为不开洞剪力墙、双肢剪力墙与短肢剪力墙三种情况下结构的弯矩简图。由图2、3、4 可知，不开洞剪力墙弯矩为平滑曲线没有反弯点，整体变形为弯曲型；双肢剪力墙弯矩为锯齿状，但也未出现反弯点，此时连梁起着连接墙肢，保证墙体整体稳定性的作用；短肢剪力墙的齿状状弯矩更严重，会出现反弯点，此时连梁将不再作为连梁，应看作框架梁，很难起到保证墙体稳定的作用，结构的变形特性类似于框架，表现在计算结果上就是层间位移角很难满足规范要求。因此，有以上分析可知，剪力墙的受力特点与洞口的大小有关，与连梁的刚度有关。连梁与墙肢的线刚度比值决定着反弯点是否出现，当墙体开洞过大且墙肢高厚比很小时（即短肢剪力墙存在过多时），墙肢刚度被过分削弱，导致出现反弯点。因此《高规》条文说明指出：剪力墙和其开洞所形成的连梁，两者组成的结构则是剪力墙结构，弯曲型变形是其变形的特点之一。目前，大跨高框架梁联系的剪力墙已经成为都不分结构体系的首选形式。这样的结构虽然剪力墙较多，但是，虽然这种结构与框架结构想，其受力和变形特征选对类似，但是仍然很难避免多层数抗震过程中遇到的问题。

图2 剪力墙不开洞弯矩

图3 双肢剪力弯矩

图4 短肢剪力墙弯矩

3 在剪力墙结构设计中的优化措施

3.1 剪力墙墙肢对齐优化布置

高层剪力墙结构中。在抗侧移构件中，剪力墙构件十分重要，同时需要在实际设计过程中充分体现墙肢之间的联动效用。因此，在结构设计过程中，应该均匀布设统一方向墙肢，让平面上能形成联肢剪力墙共同协作的效果，控制剪力墙错位布置的出现。

如图5、图6 所示的某32 层高层剪力墙住宅结构，平面Y 向墙肢存在错位布置的情况（图5 框起部分的墙肢）。优化调整措施为增加边户型Y 向剪力墙墙肢，同时减少中户型Y 向不连续墙肢且增加连续墙肢，形成6 道联肢剪力墙，从而同样剪力墙面积情况下，优化对齐布置的计算模型Y 刚度可增加20%左右。

图5 优化前剪力墙

图5 优化后剪力墙（增加Y 向连续墙）

3.2 剪力墙墙肢均匀优化布置

满足结构抗侧移刚度以及竖向荷载需求是高层建筑结构的基础，另外也需要然后结构具有抗扭转刚度。在设计工作中，可以通过加强外圈梁以及周边剪力墙的方法，对结构平面几何形心进行调整，同时也能调整质量中心、刚度中心的作用，实现“三心”重合。

如图7、图8 所示的某26 层高层剪力墙住宅结构，平面存在周边墙肢少中部墙肢多，不均匀布置的情况（图7 中框起部分的墙肢），导致位移虽满足计算要求，X 向平动、扭转、Y 向平动分别是第一、第二、第三振型。优化调整措施为增加边户型Y 向墙肢4道，同时减少中户型Y 向墙肢2 道，以此增加周边墙刚度，优化均匀布置的计算模型第二振型变为Y 向平动，满足规范要求。

图7 优化前剪力墙

图8 优化后剪力墙（增加周边剪力墙）

3.3 剪力墙优先采用带翼缘墙

L 形、T 形的剪力墙本身具有十分良好的稳定性，这是由于其墙肢端部的翼缘墙起到扶壁作用，另外在框架梁搭接在剪力墙端部时对于钢筋锚固长度也有一定的要求，这种剪力墙也能有效满足。那么，如果在结构布置过程中选用这两种剪力墙，能够有效控制器翼墙长度，进而控制配筋数量。但刚度也较小。因此在设计中宜多比较试算，确定合理的翼缘墙长度。

4 结束语

综上所述，在建筑结构设计过程中，剪力墙结构得到广泛应用，为了更好地发挥剪力墙结构特点，就需要结合建筑结构特点来合理选择剪力墙结构体系，以后在优化剪力墙平面布置、合理连梁配置、避免使用短肢剪力墙等方面合理设计，这样既能够优化建筑结构剪力墙设计的效率，还能减少工程成本，提高户型使用效率。