剪力墙结构在建筑结构设计中的应用探析

薛 磊

中铁第一勘察设计院集团有限公司 陕西 西安 710043

随着我国人民生活水平的日益提升，对房屋的功能也将有更高的需求，因此剪力墙被大面积应用到住宅、办公以及商业建筑等多个领域当中。尤其对于住宅与酒店采用的现浇剪力墙结构形式，不仅可以将隔断墙和承重墙一体化，还可以将小开间中的部分隔墙面积最小化，从而提高了建筑面积的整体利用率[1]。剪力墙建筑也比传统框架获得了更大面积的利用余地，这主要由于剪力墙建筑有不露梁、立柱不外露、构造简洁等优势。同时，剪力墙结构也可以合理设计为延性剪力墙，以提高其实际抗震性能，这种剪力墙既可以用于震区，也可以用于非震区。

1 剪力墙结构概述

房屋框架结构，一般是在房屋外或建筑物内采用规定数量的基本结构(如板、梁、柱等构成建筑结构的单元)相连（如图1所示），并可以承担相应作用的结构空间(含平面)。剪力墙结构主要是依靠混凝土墙体经受地震作用产生的风荷载或地震水平力，包括构造楼面本身的竖向力(在某些情况下还包括竖向地震力)。所以，剪力墙结构不但能符合在地动影响和风荷载影响下的刚性强度要求，而且还能解决在反复非弹性变化条件下的延性要求和结构能耗需要。这些特性使得其能够很好地应用于抗震设防烈度较低地区，尤其是对那些处于多震环境中的高层建筑[2]。

图1 剪力墙基本结构

2 剪力墙结构设计的缺点与优点

2.1 剪力墙结构设计的缺点

在较低层，由于剪力墙的实际移动不大，并使框架产生了弯曲型曲线变化，因此剪力墙实际受到的水平应力也较大，在顶层则恰恰相反，由于剪力墙的实际移动比较多，有逐渐向外侧扭曲的趋势。当荷载增加到一定程度时，剪力墙发生屈曲破坏，此时由于剪力作用使其刚度下降，从而影响整体结构的抗震性能。

另外，剪力墙不仅不能承担由整个荷载对结构带来的实际水平压力，同时也能承担负剪应力，使整体框架产生了额外的水平压力。这样，即使外在荷载对高层形成了极小的剪切力，也会对框架层形成非常大的剪切力。如果将剪力墙与框架组合起来使用，就可以充分发挥其作用。这不但增加了建筑物结构整体强度和承载力，同时降低了建设费用。

2.2 剪力墙结构设计的优点

剪力墙框架一般要求以钢筋混凝土板完全取代了传统的框架式板柱结构，对楼板的水平受力进行必要的控制性，以确保楼板结构有良好的可靠性。剪力墙结构具有以下优点：

第一，稳定性较高。在开展建筑工程建设之时，经常会用到剪力墙结构，它是一种新型的高层建筑体系，可以有效地保证建筑物具有较强的抗侧刚度。随着剪力墙强度的增大。剪力墙厚度的增大也意味着连梁实际断面长度的扩大。剪力墙构造通常使用钢筋砼构件，和传统的框式梁柱比较，该种构造形式拥有良好的整体特性，可以带来良好的支撑效应，对建筑的稳定性有很大的提高。

第二，经济性较强。由于在剪力墙的总体构造中会更合理的使用钢筋混凝土，可以大幅度降低钢料的实际使用率，从而节约了不必要的费用。

第三，建筑美观性较好。剪力墙构件有很大的抗侧强度，可根据自身实际状况做出不同程度的调节，能完全适应各个年龄的群体对建筑物美观性能的自身能力要求。

第四，规则性。通常情况下，各种建筑都可以被分割成各种功能的分区，而且每个区域的角色也会有所不同。而在高层建筑中，由于其功能较为复杂和多样，所以就需要对建筑物进行合理规划和布置，从而满足人们对于居住环境以及生活质量等多方面要求。另外，剪力墙洞口实际长度必须根据有关技术标准逐步增加，此外，连梁实际高度同时科学合理的降低。这么做的终极目的是合理减小连梁的实际刚度，同时提高整体建筑物的实际耗能性能。

3 剪力墙结构的设计原则

3.1 肢长与厚度比值的要求

在剪力墙架构设计过程中，首先必须严格按照剪力墙的承载形式和几何特性，来求得肢长的长度和厚薄的比率，这主要由于剪力墙的宽度与高度之间有较大的差异。只有测算出肢长和厚薄二者的比例之后，相应的工程设计技术人员方可按照计算结果设计出适当的墙体和双向受力结构[3]。因此，为了更好地服务于未来的工程设计环节，剪力墙的周长比和壁厚比的计算应按有关规定进行设计。

3.2 满足刚度、变形性能以及延性方面的要求

在剪力墙架构设计的整个流程中，除必须精确测算出肢长的直径和厚度之间的比例之外，还必须保证剪力墙的实际强度、变形特性和延性满足要求。在设计剪力墙结构设计之前，各工程设计技术人员都应该很明确地知道，剪力墙结构必须承担更多的外力，首先，对建筑所形成的水平方位应力和弯矩，以及竖直方向所产生不同程度的压力;其次，轴力和其他类型的剪力。另外一个重要的影响因素就是混凝土材料自身存在的弹性特性和塑性性质。而对于钢筋来说，其本身具有较强的抗拉能力，并且能够通过反复拉伸来保证结构的整体性。所以，在建筑结构设计流程中，剪力墙通常设定为延性曲线的形式。剪力墙设计成具有强延性弯曲型，首先是希望在尽可能地改善整体建筑物的耐震特性，同时也是希望在较大程度上减少整体建筑物的对脆性材料剪力破坏。总之，在整体结构设计的过程中，剪力墙应该尽可能地适应强度、变形特性以及延性的特点，如此剪力墙才能在整体建筑物中发挥它所特有的价值。

3.3 防止平面外搭接现象的出现

通常，在设计普通建筑时，建筑设计的重心是处理楼板内部的扭曲变化和剪切变化。但是，随着高层建筑结构层数越来越多，其水平方向的刚度不断增加。这就导致了整个结构体系中所需要设置的剪力墙数目逐渐增多。因此，当竖向结构数量过多时，剪力墙的剪重比也会提高。在剪力墙结构设计流程中，必须实施各种举措，尽量避免有平面外搭接的现象发生。该项工作的主要目的是使剪力墙达到设计要求，在建筑中发挥更好的作用。在剪力墙结构的设计流程中，如果不能避免剪力墙平面外搭接，则必须根据自身实际情况，实施科学相应的举措，尽最大能力保证剪力墙平面外的安全。

3.4 进行精准的设计计算

剪力墙通常是用于抵挡由强风或地震所产生的水平荷载的，不过剪力墙的实际设计中也没有越多越好。其实，在建筑施工过程中，要减轻建筑自身的载荷，提高建筑的抗震能力，我们就要尽可能减少剪力墙的数量。通常，剪力墙的施工都要注重对称与平衡度。在进行总体设计的程序中，建筑剪力墙除要完成以上这三方面的设计要求以外，还要进行工程设计预算。在剪力墙结构建筑设计的过程中，通过对剪力墙的构造解析，需要同时从平面和竖向两个方面解析构件的稳定性。当剪力墙的负荷相当大，就应该采用各种保护措施，使其达到相应的要求。

4 剪力墙结构设计在建筑结构设计中的实际应用

4.1 墙肢长度以及厚度的选取

在剪力墙墙肢实际长度和实际厚度两个参数的选择过程中，必须严格根据相关规范条例进行。剪力墙的实际标高，就叫做剪力墙的横截面实际标高。而如果是采用较高的剪力墙的话，就会导致其承载力下降，这对于建筑物来说是非常不利的。所以，在对剪力墙构件进行方案设计的时候，必须要选用正确的方法。对于剪力墙墙肢宽度和墙高之间的比例来说，应该保持一个比较合适的值。因为这个比例如果选择得不合理的话，就会对建筑物的安全性能造成较大的影响。一般来说，剪力墙的墙肢高度和墙肢高宽比的实体比例都必须符合[4]。

4.2 剪力墙的科学平面布局

在进行剪力墙设计的过程中，要尽量符合建筑主轴的双向布置方向，在进行建筑结构抗震设计时，要尽量减少单向墙的出现。因为只有这样才能保证高层建筑的整体稳定性和安全性，并且可以满足人们对于居住环境要求提高的需要。

第一，如果建筑物的设计中涉及椭圆、弧线、或多边形平面结构，剪力墙也可设计为环状结构或沿径向布置。这样既能够保证墙体不产生扭转变形，又能使整个建筑物保持较高的刚度和强度。同时，在进行建筑设计时，应当考虑到竖向构件对其所受荷载的影响（如图2所示）。

图2 剪力墙荷载影响

第二，如果结构设计为Y型，则需要按照具体建筑物本身三轴的实际分布方向对剪力墙进行设置。科学的平面布局对于剪力墙主体结构的施工中起着重要的作用。相关作业人员在剪力墙的浇筑过程中，应当针对具体设计方案进行配件安装，所有固定配件和连接件的放置应当稳固，不得有松散和变形。接缝处理时要求提高其严密和可靠性，防止了水泥泄漏问题的发生。另外，还应该做好钢筋网铺设工作，确保浇筑完成后能够形成一个整体，从而使得整个工程更加稳固可靠。最后要注重做好材料运送保管和现场检测的有关环节，以确保质量。在实际施工中一定要注意对混凝土强度进行严格检验，保证其符合相关规定要求。除此之外，还要根据具体的情况来选择合适的施工工艺，这样才可以保障工程质量。在建筑结构设计流程中，剪力墙通常设定为延性曲线的形式。剪力墙设计成具有强延性弯曲型，首先是希望在尽可能地改善整体建筑物的耐震特性，同时也是希望在较大程度上减少整体建筑物的对脆性材料剪力破坏。另外，在安装相关模具的同时，必须对施工的行为做出相应的规定，最大限度减少安装误差的发生。因为高层建筑是一种相当复杂的结构体系，所以对其施工条件有很高要求;此外，由于我国人民生活水平提升和经济社会发展，对高层房屋建筑的服务功能也有了更高需求。

第三，假如在建筑结构设计过程中产生了T型或矩形的平面构件，则有必要根据由它自身所构成的两条轴线加以重新设计。这主要是因为这些结构都是由许多单元所组合而成，同时各个单元也有着不同的外形和尺寸，这样才能满足强度、刚度以及稳定性等方面要求;而且由于各个单元之间相互独立，也不会出现错动现象。

所以，在设计剪力墙构件的过程中，应该保持构件的对称性和均匀性，并在整体构件中设置质量与强度平衡的核心，以确保墙体不产生扭矩。同时还需要对其内部构造以及施工环节都加以重视。只有这样才可以使得整个工程顺利达到预想的最终目标。在建筑结构的过程中，一定要保证剪力墙能够满足规范的要求，始终遵循简单、切合现实生活的建筑结构设计原则。

4.3 约束边缘构件处理

有关专家认为：无约束边结构实体矩形截面剪力墙的整体极限强度比约束边剪力墙减少了约37-40%，且极限层间移角约降低了一倍，对结构墙板稳定性有良好作用。通过研究分析发现:在相同条件下，与常规墙体相比，采用边缘构件能够提高整体建筑结构的抗震性能，具有良好的应用前景[5]。同时也可以为今后类似工程提供借鉴作用。剪力墙的边界结构，通常由约束的约束边界构件和结构中的构造边界构件所组成。为提高剪力墙构件的稳定性，需要从不同类型和建筑物中科学合理地选择并设置约束边缘构件。

4.4 剪力墙连梁处理

当墙肢接受一定水平负荷时，墙肢也会出现不同程度的屈曲，从而使连续梁承受了相应的荷载。如果在剪力墙结构的设计过程中必须布置连梁，那就需要同时进行跨高比和配筋设计。由于跨高比和截面尺寸都受许多因素影响，要使连梁的跨高比和截面尺寸具有良好地适应设计条件，则我们可考虑采用下列措施:

第一，剪力墙洞口实际长度必须根据有关技术标准逐步增加，此外，连梁实际高度同时科学合理的降低。这么做的终极目的是合理减小连梁的实际刚度，同时提高整体建筑物的实际耗能性能。

第二，剪力墙厚度的增大。剪力墙厚度的增大也意味着连梁实际断面的扩大，整体抗剪能力加强。

第三，应提高混凝土材料的等级。混凝土等级的大幅度提高可以大大提高整个建筑的刚度，增加连梁的抗震性能[4-5]。

5 结论

总的来说，剪力墙的施工设计应当符合规范与技术标准，并按照建筑的相关特性，合理地选用剪力墙构件、墙体构件的设置方法等，以确保剪力墙结构设计的整体经济度和稳定性。