剪力墙结构在建筑工程结构设计中的应用研究

王春燕

随着建筑层高不断增加，建筑结构应具有更强的稳定性和可靠性。剪力墙作为提升建筑结构稳定性及安全性的有效技术措施受到广泛关注，业界对于剪力墙结构设计的应用探讨也在不断深入。但在实际的建筑工程结构设计过程中，由于工程情况不同，剪力墙结构细节和主要功能设计也不同，可能会出现设计不合理的情况。因此，有必要加强对于剪力墙结构设计的运用研究和分析。

1 工程概况

以某高层建筑工程项目为例，该项目为住宅楼，地上部分共32层，地下2层。结构主体高度为98 m，安全等级为二级，使用年限50 年，抗震等级为二级，抗震设防烈度为7 度。根据工程项目的实际情况，决定采用剪力墙结构形式。活荷载标准值如表1 所示。

表1 活荷载标准值

2 剪力墙结构设计类型

2.1 按洞口大小分类

剪力墙结构设计过程中需要开设门窗洞口，主要包括以下几种类型。一是整体剪力墙。墙面不存在洞口或者洞口很小，洞口面积不大于剪力墙总面积的15%，并且洞口间的净距及洞口与墙边的距离均大于洞口长边尺寸，即为整体剪力墙[1]。二是整体小开口墙。门窗洞口开口面积超过总面积的15%。三是联肢剪力墙。此类型剪力墙上存在一列或者多列大洞口，洞口面积为整体墙面面积的30%～50%，一列洞口的墙体称为双肢剪力墙，多列洞口的墙体称为多肢剪力墙。四是壁式框架。壁式框架指剪力墙洞口尺寸较宽大，总面积超过墙体面积的50%，墙肢宽度相对较小。剪力墙结构类型如图1 所示。

图1 剪力墙结构类型（来源：网络）

2.2 按墙肢截面高厚比分类

按照墙肢截面的高度和厚度比值进行划分，主要包括小墙肢、短肢剪力墙以及普通剪力墙3 种，其墙肢截面高厚比分别为不大于4、4 ～8 以及8 以上。

3 剪力墙布置原则

（1）高层建筑结构设计中，由于短肢剪力墙剪切变形较大，会使整体结构较柔，因此建议优先选用整体系数接近的联肢剪力墙。

（2）合理布置剪力墙，保障墙肢长度合理。在进行剪力墙设计时，应沿主轴或其他方向进行双向设计，避免墙肢过长或者过短，导致结构容易受到地震破坏或者抗侧刚度下降，影响结构抗震性能。

（3）墙面门窗洞口设计简单、均匀、整齐，以免影响结构抗震性能。尤其是抗震等级为一级、二级、三级时，应避免设计叠合错洞墙面，尽量保持洞口处于同一直线。

（4）为保障剪力墙的稳定性，结构设计过程中，应以矩形、T 形以及L 形剪力墙结构为主。

（5）避免削减开洞较多、较大的剪力墙外墙结构，以免发生扭转效应[2]。

4 剪力墙在建筑工程结构设计中的应用要点

4.1 基础承重构件设计

剪力墙结构的主要功能是保障建筑物在不同方向受力稳定，而发挥此功能的主要部位为剪力墙结构的基础和承重构件，确保剪力墙在承重以及抗震方面具有良好的性能。因此，在实际设计中应注重加强配筋率的计算和分析。通过对现场环境情况以及地质条件的分析，并对建筑结构在水平及竖直方向上的受力情况进行研究，以此明确配筋率等相关指标的测算。在计算剪力墙配筋率的过程中，需要明确以下要求：第一，剪力墙各方向的配筋率应在0.25%以上。第二，部分框支剪力墙底部加强部位的配筋率应保持在0.3%以上。

对案例工程中的剪力墙配筋计算进行分析，在墙体内侧布置水平钢筋，外侧布置竖向钢筋，在保障墙体高度符合工程设计需求的基础上，进一步提升墙体结构的稳定性与可靠性。此外，还需要结合实际情况分析现浇段和装配式构件材料的占比，确保剪力墙外平面墙肢结构设计的科学性与合理性[3]。

4.2 剪力墙结构设计

为保障剪力墙结构的优势，充分发挥抗震性能，在进行剪力墙结构设计的过程中，应加强对结构刚度和应力数据等方面的控制。结合案例工程实际情况，在进行剪力墙结构设计的过程中应展开双向设计，对于固定墙肢的长度要求较高，因此在进行剪力墙参数测算过程中，应从刚度中心位置展开，以保障墙肢长度设计及相应连梁高度设计的合理性。此外，为保障数据测算准确，需要加强剪力墙结构刚度中心与建筑结构中心之间的偏差控制，若二者偏离较大，为了保障建筑结构的稳定性与安全性，还需要对剪力墙墙肢和连梁参数进行优化调整。同时，还应对墙体高厚比进行计算分析，对于高厚比小于4 的情况，需要采取柱结构设计方法 ；对于高厚比等于4 的情况，则需要采取异形柱结构设计方式，按双面受压结构进行设计。

由于不同高度建筑结构的特点不同，中低层剪力墙的承载力和平面刚度通常较强，但平面外的承载力及刚度却较弱。因此，在结构设计过程中，需要合理设计平面外的梁结构，以有效优化梁肢平面的弯距参数。另外，剪力墙的自振周期较短，抗侧刚度较强，导致发生地震时建筑结构需要承受很大的水平地震作用，可能会对整体结构性能产生不良影响。为减少水平剪力影响，可采取适当缩减墙体厚度、减少墙体数量等方式，降低建筑结构自重，提升结构抗侧移刚度。

4.3 连梁结构设计

当建筑受到水平荷载时，墙肢会发生弯曲变形，使得连梁端部产生转角，降低墙肢抗震性能。为保障结构稳定性，需要合理设计连梁。

（1）连梁刚度设计。剪力墙墙肢有较大的刚度，在水平力作用下，剪力墙产生较大内力，进而引发连梁裂缝，降低结构刚度。因此，剪力墙设计过程中，在满足结构稳定性要求的前提下，可结合实际情况适当折减连梁刚度。在分析连梁刚度折减时，折减系数与结构设防烈度间的关系紧密。若设防烈度较低，则连梁刚度折减系数较大，反之则会导致折减加大；为保障连梁承载力符合要求，折减系数应大于0.5[4]。

（2）洞口宽度设计。优化连梁刚度折减系数也可以通过调整剪力墙洞口宽度进行控制，可结合实际设计需求适当增加洞口宽度，以达到降低结构刚度的效果，实现对结构地震作用的有效控制。

（3）剪力墙厚度设计。案例工程为高层建筑，对于荷载要求较为严格。经过试验分析，发现连梁的宽度与可承受荷载间存在正比关系，即随着连梁宽度的增加，结构可承受的荷载也会有所提升。因此，为强化其抗震性能，可适当增加剪力墙厚度，以达到扩大连梁截面宽度的效果，保证结构刚度。此外，根据相关标准要求，对于抗震等级为一级、二级的建筑工程而言，在进行剪力墙设计过程中，为保证整体结构的承载力与稳定性，需要加厚墙体的底部，使其达到200 mm 以上，其他部位的墙体厚度应在160 mm 以上。因此，在剪力墙设计过程中，应根据建设区域的实际情况及工程特点，合理进行墙体厚度的调控和设计，全面保障结构稳定性。

经过计算分析，案例工程中剪力墙结构的相关参数及取值如表2 所示。

表2 剪力墙结构的相关参数及取值

4.4 抗震防御性能设计

剪力墙结构抗震防御性能设计要点如下。

（1）明确建筑基本信息。事先进行场地地基分析，并结合当地的地震特点合理确定抗震设计等级。通过对地震加速度、周期以及土层情况等方面的分析，最终确定案例工程的抗震等级为二级。加强对于当地风荷载、地质情况等的分析，确定建筑层高设计及地基承载力范围，合理选择相应的地基基础[5]。

（2）剪力墙平面布置。由于剪力墙结构的竖向荷载和水平荷载都由剪力墙墙体承受，因此剪力墙结构设计应沿主轴方向进行，尽可能确保结构简单、对称，避免后续出现建筑重心和刚度偏移过大的情况。剪力墙的墙肢长度应控制在8 m以内，同时避免侧向刚度比过大。

（3）抗震防线的设计。在建筑外边缘、角点处墙肢以及底部外围墙肢和连梁等薄弱部位，应加强抗震设计，如连梁长度应控制在6 m 以内，墙肢长度超过8 m 应适当设置洞口等。

4.5 大墙肢设计处理

剪力墙结构设计时，为避免大墙肢结构对建筑结构产生不良影响，降低结构的稳定性，需要在建模环节对其进行集中分析和处理，以此明确剪力墙结构设计过程中存在的隐患，合理优化结构设计方案。

（1）可通过适当开孔将长墙肢转化为短墙肢，并在施工完毕后封堵孔洞，提高剪力墙结构的稳定性，确保整体结构满足建筑抗震设计要求。

（2）墙肢设计过程中，还可以在保障剪力墙结构承载力符合要求的基础上，通过封层间隔方式将大墙肢结构划分为多个独立墙段，提升整体结构的稳定性。

（3）对建筑四周墙体进行加固处理的过程中，可结合建筑结构情况调整大墙肢结构的空间位置，并合理优化墙体的配筋设计，通过纵横向力学分析调整装配式构件及混凝土结构比例，以此保障长墙肢与短墙肢结构的承载力与刚度等均能满足建筑结构的设计要求[6]。

5 结语

本文以实际高层建筑结构设计项目为例，针对其中剪力墙的实际应用原则及相应设计要点展开详细探讨，并总结了剪力墙设计过程中的重点。在建筑结构设计中应用剪力墙时，需要充分结合建筑设计要求以及结构特点，合理进行剪力墙结构、配筋数量、规格形式等方面的设计和调整，并加强各种情况下建筑结构的力学性能分析，以确保剪力墙结构的承载力能够满足设计要求，全面保障建筑结构的稳定性与安全性。随着对剪力墙结构特点以及设计要点的深入分析和探讨，建筑结构设计水平将会进一步提升。