建筑工程结构设计中剪力墙结构设计要点分析

聂良珍

（广州市设计院集团有限公司，广东广州 510620）

0 引言

剪力墙作为一种由钢筋混凝土墙板负责承受水平力与作用力的建筑结构型式，具备十分优异的承载性能与空间分割作用，在现代建筑工程中得到广泛运用，有利于提高工程综合效益。与此同时，随着工程建设规模的扩大，以及建筑总高度的增加，对剪力墙结构性能提出了更高要求。在这一工程背景下，如何持续提高剪力墙结构设计水准，是当前一项重要课题，本文就此开展研究。

1 建筑工程剪力墙结构设计概述

1.1 剪力墙结构种类

在现代建筑工程中，根据洞口留设情况与形状相对位置等因素，可以将剪力墙结构划分为整面剪力墙、小开口剪力墙、壁式框架以及联肢剪力墙4 种，各类剪力墙结构的组成情况、受力特点与适用范围存在明显差异。

（1）整面剪力墙为墙身上未预留洞口，或是墙壁总面积中开洞面积占比在15%以内的剪力墙，这类结构有着以弯曲变形为主的受力特点，可将其视为一种基础上坐落深梁的结构形式。

（2）小开口剪力墙是在墙身上预留一定数量的洞口，开洞面积略大于整面剪力墙开洞面积，开洞面积占比保持在15%～30%区间内，要求在墙身上规律性排列洞口，这类剪力墙的受力特点、抗震性能与整面剪力墙基本一致。

（3）壁式框架是在墙身上按顺序排列预留尺寸较大洞口，有着洞口尺寸超过联肢、墙肢宽度较小、连梁线刚度和剩余墙肢线刚度基本一致的结构特点，这类结构以剪切变形为主，受力特点与框架结构高度相似。

（4）联肢剪力墙是在墙身上成列布置面积大于小开口洞口的剪力墙结构，因布置洞口而破坏墙身截面整体性，使整体性墙身被分解为若干连梁约束墙肢，但并未改变结构整体受力特点。

1.2 设计优势

相较于框架结构等建筑结构型式，剪力墙结构设计优势主要体现在经济性、连续性、稳定性与规则性4 个方面。

（1）在经济性方面，剪力墙结构的钢筋用量较少，综合施工成本略低于框架式梁柱等结构型式，设计人员还可采取使用轻质隔墙材料、减少剪力墙布置数量与厚度等措施，在满足建筑使用需求、保障结构安全的前提下，进一步降低建筑结构造价成本。

（2）在连续性方面，虽然剪力墙结构会从横向和纵向方向将建筑室内空间分割为若干功能区域，但各区域之间保持十分紧密的内在联系，相互关联而组成整体结构。简单来讲，剪力墙结构具备良好的整体性与空间作用。

（3）在稳定性方面，剪力墙在结构承载、抗侧力等方面的表现由于框架结构，具备较强的建筑支撑能力，极大提高了建筑物稳定性，因而多用于建造高层建筑。

（4）在规则性方面，剪力墙结构强调于体现规则性来保证功能区域划分的合理性，一般情况下，设计人员在建筑平面轴线方向上对称布置剪力墙，必要时对收缩力较大等特殊部位墙身钢筋分布情况进行调整即可[1]。

1.3 设计原则

在建筑剪力墙结构设计环节，为充分发挥结构功能效用，设计人员需要严格遵循调整楼层最小剪力系数、调整连梁超限、调整楼层间最大位移与楼层高比例3 项设计原则。

首先，调整楼层最小剪力系数原则，设计人员可采取大开间设计、增加剪力墙结构刚度等措施，最大限度把各楼层间剪力系数控制在最小程度，这将起到提高结构稳定性与强化抗震性能的作用，确保建筑物遭受外部地震能量冲击时，剪力墙底部结构可以消除40%及以上震感。

其次，调整连梁超限原则，设计人员根据工程实际情况来计算最佳的剪力墙剪力与弯矩限度比，一般情况下通过调整剪力墙跨高比例与连梁跨比来保证剪力墙剪力与弯矩比不超过限度要求，同时，设计人员也应从工程造价层面来考虑这一问题。

最后，调整楼层间最大位移与楼层高比例原则，在早期建筑工程中，为解决剪切变形问题，普遍选择调整纵向构件数量的方法，在合理范围内增加构件数量而改变结构减重比例，但会由此引发楼层扭转问题。对此，设计人员需要适当缩减楼层间扭转角度、计算相邻楼层的层高位移比是否在合理范围内，不得在楼层间仅设置少量构件[2]。

2 不同布局的建筑结构设计方法差异化对比分析

2.1 布局设计

建筑剪力墙结构主要由剪力墙、梁、板等部分组成，不同部分的布局设计方法与要求存在明显差异，具体如下。

（1）剪力墙布局设计。设计人员应树立合理范围内减少剪力墙数量、体现平面竖向规则性、把控剪力墙长度与取消无效边缘构件的设计思路，以此来确保剪力墙结构具备足够的抗侧刚度与抗扭刚度，具体从均匀布置剪力墙、减少扭转效应、刚度均匀变化、平面内轴压比值相似方面着手。其中，均匀布置剪力墙是在各结构平面单元中对称布置剪力墙，要求剪力墙位于建筑平面主轴两侧，或是布置在有利于结构承载的隔墙位置，一般情况下，把相邻剪力墙间距控制在4.5～6m 以内、剪跨比在2 以上，且各处剪力墙的长短墙比例保持均匀状态，避免个别墙肢受外部作用力影响而率先破坏。减小扭矩效应通过增强结构抗扭刚度与控制结构中心刚度来实现，主要采取计算建筑结构中部剪力墙最佳数量、在合理范围内布置最少数量剪力墙的实现方法。刚度均匀变化是在建筑高度方向上均匀调整墙身厚度，非必要情况下不得在高度方向上出现刚度突变问题，并在底部加强区域内增加墙厚值。平面内轴压比值相似是由设计人员使用PKPM 软件，计算各套初步设计方案中的墙肢轴压比数值，优先选择轴压比值最小的设计方案，轴压比值越小，则剪力墙布置越均匀，起到减小结构自重、最大限度发挥剪力墙水平与竖向承载力的作用[3]。

（2）梁、板布置。设计人员尽可量对楼层梁传力路径进行简化处理，如果楼层梁布置数量过多，会增加传力路径复杂程度，造成多重传力、影响建筑美观与增加工程造价等后果，在隔墙开设小洞口或是楼板跨度较小情况下可以取消楼层梁。同时，综合分析水电管线敷设需求、挠度等因素来计算最佳楼板厚度值，根据板厚来调整楼层梁间距。一般情况下，把楼层梁跨度控制在5m 以内、楼板厚度控制在120mm 左右即可。

2.2 抗震设计

抗震性能是衡量建筑物安全系数与结构设计质量的一项重要指标，在现代建筑工程中，对剪力墙结构抗震性能提出严格要求，将抗震目标设定为“小震不坏、中震可修、大震不倒”。具体来说，要求剪力墙结构遇到低于当地抗震设防烈度地震灾害时不出现结构破损问题，遇到和当地抗震设防烈度相当地震灾害时的结构破损程度在后续可修复范围内，遇到远超当地抗震设防烈度地震灾害时不会在震中出现建筑物倒塌情况。

为增强建筑物抗震性能，设计人员需要在剪力墙结构设计方案中采取多道设防、延性结构塑性变形、平面外稳定性控制、平面对称布置的措施。

（1）多道设防是在结构体系中延伸设置多道抗震防线，如把连梁与剪力墙分别作为一道防线、二道防线，在上道防线被破坏后，由下道防线继续抵抗地震作用，避免建筑结构受损严重。

（2）延性结构塑性变形是通过增加剪力墙与楼层梁等构件延性、保持节点承载力超过构件承载力，使剪力墙结构具备良好延性，建筑物在遭受地震能量冲击时可以耗散部分能量、由变形能力抵抗地震作用。

（3）平面外稳定控制是采取沿梁轴方向设置扶壁柱、保持墙肢与平面外方向楼面梁相互连接状态、减小梁端部弯矩对墙弯矩等措施，通过控制平面外弯矩值来维持平面外结构稳定状态。

（4）平面对称布置是在剪力墙结构平面方案中在轴线两侧对称布置剪力墙等构件，保持质量和刚度中心接近状态、平面刚度均匀状态，以此来消除结构抗震薄弱部位、控制震中建筑物扭转程度[4]。

2.3 边缘构件设计

在边缘构件设计环节，重点掌握配筋设计、超筋处理梁两方面的设计要点。

首先，在配筋设计方面，将边缘构件分为约束边缘构件与构造边缘构件两种。以构造边缘构件为例，位于建筑结构体系的底部加强部位和其他部位，遵循《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010），根据建筑抗震等级来确定纵向钢筋最小量、箍筋最小直径值与竖向最大间距值。在一级抗震建筑工程中，要求底部加强部位的纵向钢筋量不得低于1%构件截面积、箍筋直径值不得小于8mm、箍筋竖向间距值不得超过100mm；其他部位的纵向钢筋量不低于0.08%构件截面积、箍筋直径不小于8mm、箍筋竖向间距不超过150mm。

其次，在超筋处理方面，如果在剪力墙结构计算结果中出现结构梁弯矩设计值超出梁身极限承载能力、混凝土梁相对受压区高度超限、梁身纵向受拉钢筋配筋率超过2.5%等问题时，即可表明建筑剪力墙结构超筋，要求设计人员根据问题类型来采取相应处理措施。例如，在剪力墙结构水平超筋、剪力墙抗剪情况异常时，需要采取加密水平筋间距的处理方法。而在剪力墙连梁超筋时，主要原因是刚度超标、抗剪不足，可以采取折减连梁刚度、减少连梁高度以及增加洞口尺寸的处理措施[5]。

2.4 墙肢构造设计

在剪力墙墙肢构造设计环节，设计人员应重点掌握截面厚度设定、底部加强部位高度设计、墙肢配筋3方面的设计要点。

（1）截面厚度设计方面，综合分析建筑抗震等级、剪力墙所处部位、剪力墙种类等因素来确定剪力墙截面厚度最小值。例如，对于抗震等级为一级、二级的建筑工程，要求加强部位剪力墙截面厚度在层高/墙肢长1/16 以上、最小不得低于200mm，其他部位墙身截面厚度在层高/墙肢长1/20 以上、最小不得低于160mm。而在建筑结构体系中设置一字型剪力墙时，要求底部加强部位和其他部位的剪力墙截面厚度在220mm 和180mm 及以上。

（2）底部加强部位高度设计方面，普遍选择把底部存在出现塑性铰现象高度范围当作底部加强部位，起到强化剪力墙结构受剪承载力的作用。为保证建筑总体结构具备优异抗倾覆能力与弹塑性变形能力，设计人员应以地下室顶板作为起点，延伸至计算嵌固端，将地下室顶板-嵌固端之间作为底部加强部位，或是将1/10 墙肢竖向总高度作为底部加强部位高度。

（3）墙肢配筋方面，综合分析建筑抗震等级、结构部位、墙身种类等因素来确定剪力墙配筋率最小值，如果配筋率不达标，建筑结构在使用期间有可能出现开裂等质量通病，存在安全隐患。以普通剪力墙结构的水平向与竖向钢筋为例，要求抗震等级为一级、二级与三级建筑物的剪力墙水平向、纵向钢筋配筋率在0.25%及以上，抗震等级为四级的建筑物剪力墙配筋率在0.2%以上即可。

2.5 连梁设计

在建筑剪力墙结构中，连梁起到保证结构高度、控制结构侧移量等重要作用，但在设计期间偶尔出现连梁过度抗剪的问题。因此，为预防此类问题出现，设计人员需要在连梁设计环节掌握增加梁身截面积、调整设计应力两项要点，确保连梁功能作用得到充分发挥。首先，增加梁身截面积，在合理范围内适当增加梁身截面积，以此来强化连梁抗剪能力。同时，根据工程实际情况来选择截面积增加方式，优先增加梁高，在保持连梁宽度固定状态下有效增加梁身截面积，必要时也可采取扩大梁宽的方式，但不会明显提高连梁刚度。其次，调整设计应力，此项方法适用于改变梁截面积无法优化抗剪承载性能的情况，设计人员人为降低连梁刚度来调整结构剪切力分配方案，如调整连梁刚度折减系数。

2.6 经济性设计

目前来看，建筑剪力墙结构的造价成本较高，建筑企业承担较大的资金压力，工程经济效益也存在优化提升空间。因此，为帮助建筑企业取得理想工程收益，在保障建筑使用安全与结构性能达标的前提下，设计人员需要做好经济性设计工作，具体采取选用轻质隔墙、优化剪力墙平面布局、减轻结构自重、控制剪力墙配筋率等手段。例如，在建筑结构中设置陶粒砌块、泡沫混凝土填充料等材质的轻质隔墙，并在隔墙内嵌入少量高强度等级钢筋，从而起到减少造价成本、减轻结构自重量、减轻建筑结构震中破损程度等多重作用。剪力墙平面布局优化是在保证刚度与承载性能达标情况下，适当增加相邻剪力墙间隔距离来节省用量成本，优先选用一字型与T 形等形状简单、易于操作的剪力墙来降低作业难度、减少施工成本。

3 结语

综上所述，在现代建筑工程中，剪力墙结构型式展露出广阔应用前景，也是高层建筑工程首选结构型式之一。建筑企业与设计人员理应提高对建筑剪力墙结构设计工作的重视程度，明确设计原则，切实掌握布局设计、抗震设计、边缘构件设计、墙肢构造设计、连梁设计、经济性设计等要点，为工程建设质量提供有力设计保障，顺利达成预期设计目标。