建筑剪力墙结构优化设计研究

黄蕊 泰安市精致施工图审查有限公司

1 前言

剪力墙是现代高层建筑设计中一个重要的结构形式，已经在高层建筑、超高层建筑乃至摩天大楼中得到了广泛应用。除了常规的建筑结构特性之外，剪力墙本身具有很强的抗风性、抗震性，是增强建筑主体结构稳固性的一个重要结构。但是剪力墙结构设计本身兼有专业性与复杂性特征，需要立足于整体建筑建设现况开展设计，力求全面提升建筑设计的有效性。

2 建筑剪力墙概述

2.1 概念分析

剪力墙也被称作结构墙或抗震墙，主要是指建筑物或构筑物中承受地震作用或风荷载等作用所引起的竖向荷载与水平荷载的墙体结构，可以避免结构出现受剪破坏。当下的剪力墙结构主要以钢筋混凝土材料为主，主要可以划分为筒体与平面两种形式，其中后者主要用于高层建筑物或构筑物中，是由楼梯间、电梯间、设备间以及辅助用房几部分的间隔墙所共同构成，可以对水平荷载进行有效承载；后者则可以用在无梁盖板与刚砼框架结构等中，主要是为了增加主体结构的抗倒塌能力、强度与刚度而存在的。

2.2 特征分析

鉴于剪力墙结构本身的类别会直接影响我们设计剪力墙的效果，所以在优化设计剪力墙结构之前需要对其种类进行界定，具体可以划分成如下几个类别：

①整截面墙。该种剪力墙主要是指墙面上不设置洞口结构或者所设置的洞口面积占墙总面积比值不大于16%，且洞口长边尺寸比洞口净距以及墙边与洞口二者之间的净距更小。该种类型的剪力墙本身受力情况类似于整体式悬臂构件，相应的向应力通常需要依据线性分布。为了更好地发挥其受力性能，设计人员在开展设计期间需要注意在墙肢两端部位处来设置竖向钢筋。

②整体小开洞墙。该种类型剪力墙在墙面上的开洞口面积要大于整截面墙，且其洞口布设方向是采取按列布设的方式进行上下对齐布设，这样可以形成比较明显的连梁和墙肢结构，并且它们本身的刚度分布也比较均匀，这样可以更好地保证整体的设计效果。

③联肢墙。该种剪力墙墙面上的窗口占比更大，一般超过了16%的总墙面比例，且相应的洞口采取竖向排列设置方式，主要借助连梁来对各个墙体进行有效连接。其中的墙肢本身具有显著的应用作用，并且会在连梁中间部位处形成反弯点，在实际的设计过程中需要对该部位的受力进行科学分析，保障该部位的承载力等力学性能可以满足剪力墙的实际使用需求和规定，确保其抗震、抗风及承载等满足规定要求。

3 建筑剪力墙设计的原则

在设计剪力墙的过程中，为了确保整体设计的效果，保证剪力墙设计过程可以遵从科学、有序、合理等基本设计思路，采取恰当的设计原则开展设计，保证可以最大程度提高剪力墙设计的效果与效率，具体的设计原则要点如下：

①要确保剪力墙结构满足力学性能、使用性能以及位移限制等基本要求，确保其安全性的同时，提高其使用的性价比。比如，适宜采取规则、简单的剪力墙布设方式，并按照双方向进行布设，且两个方向上设置的剪力墙刚度差异不可过大，否则容易出现比较严重的扭转问题。

②在满足①这一设计原则的基础上，还要注意尽可能地缩减剪力墙结构的设计数量。但是要保证所设计的剪力墙结构数量满足基本振型地震作用下的承载以及受力等基本要求和规定，如要保证其承受的地震倾覆力矩不高于1/2剪力墙结构本身的总地震倾覆力矩。

③要确保剪力墙结构本身承受的剪力不小于20%的总剪力。

④剪力墙结构本身的长度不宜过大，且应该在长度比较大的剪力墙上面开设洞口，并将其划分成长度比较均匀的若干个墙段，墙段之间借助若连梁进行科学连接。但是最长的剪力墙墙长长度不宜超过8m。

⑤剪力墙设计中适宜首先在建筑外墙周边，以及电梯或楼梯井筒位置处进行布设。

⑥在布设剪力墙上面的窗口时，设计人员要采取成列布设方式，确保上下部的窗口位置对齐，避免错洞造成剪力墙上下传力不连续问题。

⑦在布设剪力墙期间，设计人员要依据房间布局的实际情况顺着2个轴线方向进行布设，且适宜设计为十字型、L型和T型等等。

⑧除了上述基本设计原则之外，在还要注意考虑剪力墙结构设计的经济性能，确保整体工程造价可以得到有效控制。

4 建筑剪力墙设计的优化策略

4.1 做好结构均衡优化设计

结构均衡设计会对最终的结构设计效果产生极大影响，所以设计人员在开展剪力墙结构设计期间需要做好结构均衡优化设计，即要保障所设计的剪力墙结构整体受力的均衡性，避免出现局部受力情况，否则会对最终的结构设计效果带来不利影响，这是确保剪力墙结构整体安全性的重要保障，同时该种均衡设计方式也可以更好地节约工程造价成本。在开展剪力墙结构均衡优化设计过程中，设计人员需要结合建筑实际平面布局情况来确定最佳的剪力墙结构优化实际方案，同时在对剪力墙结构方案进行优化设计的基础上，还要进一步制定满足基本设计要求和规定的管理条例，密切监督与检查剪力墙结构在后续施工阶段的实际情况，一旦发现不符合现场施工的情况，就需要及时反过来对剪力墙结构进行再次优化设计，力求全面确保所设计剪力墙结构的质量，使其可以均衡受力，避免因为不均衡受力而出现破坏问题。

4.2 做好结构方案优化设计

在开展剪力墙结构设计实践中，为了为后续的剪力墙结构设计提供可靠、明确的指导，必须要立足整体视角来对结构方案进行优化设计，具体要点如下：①在设计剪力墙结构期间，方向上适宜顺着主轴方向开展双向布设剪力墙的方式，力求可以有效增强剪力墙空间结构本身的完整性；针对具有抗震性要求的剪力墙结构，要尽量避免采取单向设置剪力墙的结构，并且在不同受力方向上设置的剪力墙抗侧刚度需要尽可能地保持一致，这样才能更好地额确保建筑内部空间结构整体稳定性。在确保剪力墙结构本身的承载力与抗侧刚度满足上述设计要求的基础上，可以继续优化设计剪力墙结构，即做好剪力墙结构重量的缩减，以此优化设计思路可以更好地增加内部建筑机构可以利用或使用的空间量。②如果面向于剪力墙的墙肢结构进行优化设计，那么相应的截面设计适宜保持规则性和简单性，借助这种优化设计思路可以有效确保剪力墙结构方案设计的效果，从而可以为后续的结构设计夯实基础。

4.3 做好墙体配筋优化设计

在优化设计墙体配筋的过程中，需要立足于增强剪力墙结构稳固性与可靠性视角，灵活地选择恰当的设计方案，具体要点包括：①要优选高质量、高性能的材料。如在选择钢筋材料期间，要保证其整体使用质量的基础上，将垂直钢筋和水平钢筋分别合理地设计在剪力墙结构内部和外部，这主要是因为地底下的墙体配筋量要比其他几个部分更多，并且地下的土压和水压使得相应的压力更强。②在对剪力墙结构配筋率进行设计期间，一般可以依据工程测算和建议标准的最小配筋率进行即可，这样即可确保整体剪力墙结构设计的稳定性与安全性。与此同时，通过优化设计剪力墙结构的钢筋配筋率，也可以最大程度减少工程建设投资成本。③在确定剪力墙结构的厚度期间，不必严格依据最小厚度是200mm 这一规定。如果在满足基本结构设计要求和规定的基础上，灵活地选用160mm 和180mm 厚度尺寸的剪力墙，同时还要注意对剪力墙结构的高度进行合理设计，力求全面提升剪力墙结构中的配筋设计效果。

4.4 做好剪力墙连梁的优化设计

在建筑剪力墙优化设计过程中，依据高层建筑的相关设计规程和技术要求可知，如果连梁本身具有不同的高跨比，那么其截面所受到不同的剪受承受力，所以在实际的剪力墙设计重要注意对连梁进行塑性调幅处理，力求可以实现对低剪力设计值进行减小的目标。而在实际的连梁优化设计实践中，可以采取如下两个方法进行确定：其一，在内力计算之前，要首先对连梁的刚度进行折减；其二，在计算内力之后，可以将连梁弯矩和剪力二者的组合值同相应的折减系数进行相乘。无论采取上述哪一种连梁设计方法，都要注意保证剪力值不小于相应的使用值，否则在地震作用下非常容易诱发裂缝问题，影响剪力墙结构整体的稳固性与安全性。

4.5 做好剪力墙底部加强部位的优化设计

为了确保整体剪力墙结构设计效果，其中底部部位占有非常重要的地位，会对整体剪力墙结构稳固性产生极大影响，所以设计人员也要注意优化设计底部加强部位。通常而言，在对底部加强部位的高度进行设计期间，可以选择嵌固部位之上1/10 墙肢总高度与底部两层高度当中的较大值；如果建筑底部设计有转换层，那么在设计剪力墙底部加强部位的过程中，可以使对应的高度值确定为框支层加上框支层以上2层的高度或者1/10墙肢总高度二者当中较大值。通过这种底部加强部位高度设计方式，可以更好地确保所设计剪力墙结构的稳固性和可靠性，避免因为底部加强部位设计不合理而危及其使用的安全性。

4.6 做好其他关键结构部位的优化设计

除了上述剪力墙结构优化设计部分之外，为了进一步提高剪力墙结构优化设计的效果，还要重点做好如下几个方面的结构优化设计工作：①合理设计层间最大位移及层高比。基于相关设计规定可知，剪力墙结构设计的一个重要作用就是对楼层间的剪切或扭转变形进行控制，这时候设计人员可以采取对竖向构件数量进行控制的方式。否则如果没有进行合理设计，那么必然会诱发更为严重的扭转变形。因此，设计人员可以采取设计偶数数目的竖向构件的方式来降低扭转变形问题发生概率。②在设计楼层最小剪力系数期间，设计人员需要参照设计规范和要求，对剪力墙的设计数量进行控制，一般可以通过减少剪力墙结构设计数量，并增大剪力墙布设开间的方式来增大剪力墙结构本身的侧向刚度，力求可以降低地震作用对建筑结构安全性带来的不利影响。

总之，剪力墙结构是确保建筑结构整体稳固性、可靠性与安全性的一个重要结构形式。在剪力墙结构优化设计过程中，需要严格按照设计规范和要求，遵从科学性、经济性等基本结构优化设计原则，切实做好连梁、墙体配筋、底部加强部位等关键部位的优化设计工作，力求全面提升剪力墙结构优化设计效果。