建筑结构设计中的剪力墙结构设计研究

李娜

（中匠民大国际工程设计有限公司山西分公司，山西太原 030000）

0 引言

近年来，建筑行业在经济增长的带动下迅速发展，工程建造形式和种类多样性更强，应用在建造过程中的建造工艺也不断增多。剪力墙结构是一种具有高强度、高刚度、高承载力、高抗剪能力的新型建筑结构型式，因其良好的综合性能，广泛应用于高层建筑中。加强对剪力墙结构设计的研究，对促进建筑工程的健康发展、提高建筑质量、推动建筑行业发展都有积极的作用。

1 剪力墙结构概述

剪力墙结构是指在建筑工程中将传统框架结构中的梁、柱结构以钢筋混凝土墙板代替，利用钢筋混凝土墙板承担建筑整体结构中产生的各种内力，避免建筑梁、柱结构因承受过大剪切力而发生损坏。当前剪力墙结构在高层建筑中的应用非常广泛，能有效提高建筑结构整体的稳定性和安全性，提高建筑物的抗风、抗震能力，但剪力墙的应用效果会受到工程预算、施工人员专业技术水平等因素的影响。

当前应用在建筑工程中的剪力墙结构主要分为筒体和平面剪力墙两种形式，其中筒体剪力墙多应用于高层建筑、悬吊式建筑和高耸型建筑的特殊部位中，如电梯间、楼梯间、辅助房间等，将剪力墙设计成间隔围墙的形式，筒体剪力墙的筒壁材料通常为现浇钢筋混凝土，具有非常突出的强度和刚度。平面剪力墙则多应用在升板结构、钢筋混凝土框架结构、无梁楼盖体系中等，应用方式有两种，一种是在建筑结构的某个受力点中，以现场浇筑的方式建造剪力墙，还可直接安装预制装配式剪力墙，提升建筑工程的整体强度、刚度、抗震、抗风能力。

2 剪力墙结构的设计要求

2.1 水平荷载要求

建筑工程的整体重量会随着建造高度的提升而不断增加，建筑结构需要承受的水平荷载也随之提升，若未能充分考虑水平荷载的传递路径问题，可能会使工程在建造和使用过程中出现侧移情况。与低层建筑相比，高层建筑中对整体结构的抗压能力、承重能力和水平荷载的承担能力都有更高要求[1]。

2.2 轴向变形控制

高层建筑中引发轴向变形的原因较多，如层数多、自重大、轴力大等，且应用剪力墙结构的高层建筑中主要依靠框架中柱承担主要应力，使框架中柱的轴向压力远大于框架边柱承受的轴向压力[2]。长此以往，框架中柱可能会发生明显的压缩变形，当框架中柱和框架边柱之间的变形量达到一定数值后，可能会引发连续梁中心支座沉陷，为高层建筑的质量安全埋下严重隐患。所以在设计剪力墙结构时，必须考虑轴向变形控制因素。

2.3 提高结构的延展性

剪力墙结构的主要功能是帮助房屋建筑承受来自风和地震作用引发的水平荷载和竖向荷载，以此提升建筑物抗风抗震能力，保证建筑的安全性和稳定性。因此，在对剪力墙结构进行设计时，还需要充分考虑结构的延展性，使高层建筑能有效抵抗在地震环境中可能发生的变形情况，使建筑具有更好的承载能力。

3 建筑结构设计中剪力墙结构设计措施

3.1 科学设计结构受力点

剪力墙作为建筑工程中一种竖构件，在使用过程中会承受来自多个方向力的作用，如垂直方向上的应力作用、水平方向上的荷载作用等。设计人员应结合建筑工程实际情况来科学分析不同结构中剪力墙的受力情况，根据剪力墙墙体受力的大小调整混凝土强度，最大限度发挥剪力墙的抗剪、抗风、抗震能力。同时，根据墙体在使用过程中会承受的力的作用形式和荷载大小来优化其延展性，使建筑物中的剪力墙能有效抵抗来自水平和垂直方向上的荷载作用，使高层在高强度荷载作用中，能依托剪力墙的延展性发生微幅度晃动，以做功的形式消耗水平荷载，提高建筑物对外力的抵抗能力，保证建筑的安全性。

3.2 确定剪力墙厚度

剪力墙结构在施工过程中对建筑整体结构有很多硬性要求，必须提高剪力墙和建筑结构整体设计的融合度，才能最大限度发挥剪力墙的综合作用[3]。在确定剪力墙墙体厚度时，国内建筑行业相关规范中明确指出，底部加强部位的墙厚，一、二级不应小于200mm，三、四级不应小于160mm；其余部位的墙厚，一、二级不应小于160mm，三、四级不应小于140mm。高层建筑不同楼层中的剪力墙刚度可能存在差别，设计人员可采用阶段变化的形式调整剪力墙的厚度，规定厚度变化区间。部分高层建筑中底部楼层和顶部楼层会采用不同强度等级的混凝土，此时可采用错楼层的方式调整剪力墙厚度，保证剪力墙的厚度能充分满足建筑工程竖向应力的承载要求。

3.3 科学设计大墙肢尺寸

不同建筑结构的实际特点各有不同，为提高剪力墙的延展性，可根据建筑建造的实际要求对剪力墙高度进行科学设计[4]。剪力墙主要是由墙肢和连梁共同构成的，在设计剪力墙高度时需要考虑结构的整体高度，相关研究已经证实，当剪力墙的高宽比约为3 时，剪力墙的延展性最好，弯曲能力最强，能有效提高建筑的抗剪能力。若建筑工程设计中必须将剪力墙设为大高度，以致剪力墙高宽比超过3，则可采用双向受压结构对其进行优化，就是在剪力墙墙体上开洞，通过开洞配合优化剪力墙高宽比。

4 设计实例

4.1 工程概况

本文以某市高层住宅建筑项目为例，对建筑结构设计中剪力墙结构设计的实际应用进行研究。该工程地上27 层，地下2 层，建筑总高度86.85m，其中地下2 层层高3.6m，地下1 层层高2.2m，地上1 层层高为5.4m，地上2、3 层层高为4.5m，4 层及4层以上住宅层高为3m。该项目所处地区的抗震设防烈度为Ⅷ度，设计基本地震加速度为0.20g，设计地震分组为第二组，建筑场地类别为Ⅲ类。

设计人员在分析了该建筑工程的结构特点、层数、高度和工程建设要求后，确定在高层住宅建筑中应用剪力墙结构，剪力墙抗震等级为一级。

4.2 剪力墙结构设计

4.2.1 剪力墙布置原则及混凝土强度等级

该工程通过集中布设的方式构建核心筒，以充分发挥剪力墙结构的性能优势。具体布设过程中采用平均布局的方式，保持连梁高度适中，与两方向墙高度一致。在设计剪力墙结构时，单墙肢的长度不超过8m，截面厚度在200~400mm 范围内，在不同楼层中混凝土强度等级如表1 所示。

表1 剪力墙混凝土强度等级

4.2.2 底部加强区设计

底部加强是提高底部较弱结构综合性能的建筑方法，优化底部加强区设计，对提高建筑结构整体的稳定性具有重要意义[5]。底部加强区的高度，应从地下室顶板算起，可取底部2 层和墙体总高度的1/10 二者的最大值。工程底部加强区高度为底部2 层。

4.3 梁、板结构设计

通常情况下，高层建筑中的梁板结构跨度相对较小，应注意优化结构中应力的传递路径，避免出现多层传递的情况。工程中高层建筑楼板设计厚度在100~120mm 范围内，屋面板设计厚度为120mm，梁、板混凝土设计强度均为C30。

5 剪力墙结构设计中需要注意的问题

5.1 科学设计剪力墙数量

随着高层建筑工程的不断发展，剪力墙结构的应用范围不断扩大，很多设计人员会结合工程建设需要，设计不同种类的剪力墙结构，以此提高建筑工程的综合性能[6]。但需要注意的是，剪力墙的布置也应适当，若剪力墙设置过多，可能使建筑结构在大地震中发生脆性损坏，反而影响建筑物的安全性。因此，设计人员应结合实际建造要求，结合不同结构位置中对剪力墙结构的不同要求，科学设计剪力墙数量，才能最大限度发挥剪力墙结构的优势。

5.2 不断优化剪力墙结构设计

建筑工程施工中存在较多变量，对剪力墙结构设计的科学性造成影响[7]。为提高设计方案与实际工程的匹配度，设计人员应在设计之前对施工现场进行充分考察和研究，以工程建设的实际需要出发，持续性地优化剪力墙结构设计方案，最大限度消除外界因素对剪力墙结构施工的影响。

6 结语

综上所述，随着国民经济的快速增长，人民群众的生活水平不断提升，对建筑工程的建造形式、建造质量、实用性、舒适性等都有新的要求，传统建筑结构设计方式已不能与最新的建筑工程建设形势相匹配。剪力墙结构作为高层建筑中的抗剪构件，在建筑工程中的应用范围不断扩大，加强对建筑结构设计中剪力墙结构设计的研究，提高剪力墙结构设计的科学性，对提高建筑工程质量、促进行业发展来说都具有重要意义。