建筑结构设计中剪力墙结构设计难点分析

王志军

（晋城合为规划设计集团有限公司， 山西 晋城 048000）

随着科技水平的提高和国民经济的快速发展，现代高层建筑的作用越来越复杂， 对其结构提出了更高的要求。 常规的框架结构已无法适应工程的发展， 为保证建筑的安全， 不断地打破建筑的总高度，采用剪力墙结构是高层建筑的主要方向。 因此， 在建筑结构设计中剪力墙结构设计中会出现很多难点。

1 剪力墙结构概述

1.1 关于剪力墙的内涵

剪力墙是一种常见的结构形式， 又叫抗震墙或结构墙。 在建筑中， 剪力墙是一种重要的工程技术，它主要用于承受风荷载或在地震作用下的水平载荷。根据洞口大小、 数量、 布置措施等因素， 可以将其分为多种类型。 一是一体墙， 即在门窗开口面积合计小于剪力墙面积15%， 而开口长度小于洞口与墙体的净间距， 即整体墙体。 二是框支剪力墙， 当底层需要较多的空间时， 可以采用框架结构来支撑上部剪力墙。 在地震高发区， 单用框支剪力墙结构是设计者在进行建筑结构设计时不适宜的。 三是采用壁型结构， 其孔径较大， 且连接梁的线型刚度与墙肢线刚度相近的墙体叫做壁型结构[1]。

1.2 运用剪力墙结构设计的准则

在设计中， 剪力墙的高、 宽等尺寸稍大， 其受力状况和墙身构造与其它构件有不同之处。 因此，在进行剪力墙结构的设计时， 应根据结构的受力特性， 对其高度、 宽度、 跨度等进行精确的分析与计算， 并在综合考虑各种因素后， 确定最终的比例。其次， 在实际计算中， 从平面上看， 剪力墙在平面内具有很高的刚性和较好的承载力， 但在平面以外，它的刚性和承载力会下降。

2 剪力墙结构的优势

剪力墙结构是由钢筋混凝土墙取代传统的框架梁和框架柱， 在一定程度上控制了建筑物的水平力，从而确保了建筑物的稳定。 剪力墙结构具有如下优点: 第一， 具有很高的稳定性。 在剪力墙结构中，一般采用的是钢筋混凝土墙， 相对于传统的框架梁和柱， 它具有更好的综合性能和更好的支撑效果，对于增强建筑物的稳定性具有很大的帮助。 第二，更经济。 在剪力墙结构中， 钢筋混凝土的用量较大，不需再填入钢材， 减少钢材用量， 节约投资， 提高设计成果的经济效益。 第三， 美观度更高。 由于剪力墙结构具有很好的抗侧承载力， 可以根据具体情况进行调整， 适用范围更广， 能适应不同人群对建筑美观的要求。 第四， 延续性更强。 剪力墙结构不仅要确保建筑物的稳定， 而且还能在一定程度上将建筑物分割开来， 这样既能区分出建筑物的不同部位， 又能在某种程度上保持连续性。

3 剪力墙结构设计的设计原则

3.1 控制高度与宽度的原则

在进行剪力墙结构设计时， 应严格按有关规定来控制其高、 宽， 以确保其对整体结构的稳定。 这就要求在设计时， 对建筑物的横向和纵向的受力进行分析， 并根据有关的建筑材料特性， 对其进行有效的水平、 宽度控制。 剪力墙的宽度和高度都是合理的， 这样剪力墙就可以充分利用它的功能， 提高它的防震能力和安全性。

3.2 控制刚度和延展性的原则

由于剪力墙的平面内刚度和承载力都比较大，剪力墙结构平面外的刚度和承载力都比较低。 因此，在设计时通过控制剪力墙与外梁间的搭接， 可以有效地改善剪力墙的外力和承载力， 从而改善其稳定性。 同时， 在进行剪力墙结构设计时， 应考虑到工程的具体特征及施工要求。

3.3 楼层最小剪力系数的调整原则

在进行结构设计时， 要注意尽量减少楼层间的剪切系数。 为了保证结构良好的抗震性能， 应从结构的安全角度出发， 确定其水平地震剪应力要比楼层最小。 在结构设计时， 应考虑将剪力最小化， 最大限度地增加设计室内的空间， 以达到合理的水平刚度， 并将其综合考虑， 得出楼层最小剪系数。 另外， 在建筑结构设计中， 应尽可能地减少结构的自重， 减少工程成本， 并对结构的抗震性能进行优化。为了提高结构的抗震性能， 提高结构的抗侧刚度，剪力墙的剪力系数必须根据结构的抗震要求来确定。在进行剪力墙结构的侧向刚度设计时， 为了有效地控制剪力系数， 常需要将倾覆力矩、 内力和位移相应调整。 希望整体结构能够更好地发挥抗震作用，提高整体结构的安全， 提高剪力墙的设计水平。

3.4 楼层间位移调整原则

在结构设计中， 应注意控制层间的扭转和剪力。在建筑结构设计中， 必须遵守最大层位移与层高之比的原则， 在进行最优调整时， 必须按设计原理进行垂直构件的排列， 否则会导致层间的扭转变形增大， 导致层间位移不能满足要求。 在高层建筑中，应尽量减小其扭转变形， 而不应盲目地添加竖向构件。 如果只是一个方向上的层间位移不能满足， 则可以通过减小这一方向上的构件的刚度来减小其剪力比， 从而获得更好的结构优化。

3.5 连梁调整原则

连梁是将墙腿和墙腿联结在一起的一种梁。 尽管是横梁， 但是横梁的跨径要比横梁大得多。 在进行施工设计时， 必须遵守连梁跨高比的调节原理。当跨高比超过5 时， 一般出现弯曲失效； 而在跨高比小于5 的情况下， 其破坏形式以剪力为主。 弯曲断裂属于延性断裂， 而剪切断裂则比较危险， 属于垂直斜裂。 采用适当的措施， 确保连梁的延性， 并对其跨高比例进行适当的调整， 以达到结构抗震性能和造价的目的。

4 建筑结构设计中剪力墙结构设计的主要难点

4.1 剪力墙连续梁超筋的处理不规范

近年来， 剪力墙在高层建筑中得到了广泛的应用， 它使建筑物的最大容许高度得到了极大的提高。由于剪力墙结构中剪力墙在总造价中占有很大比例，且其施工工艺复杂， 若设计得不科学合理， 不仅会增加工程造价， 而且剪力墙的数目和布局不当， 也会对房屋的安全和舒适度产生不利的影响。 在现代高层建筑的结构设计中， 建筑物的抗震性能是一个重要的指标。 在结构设计中， 应尽可能地保证系统的抗侧刚度， 布置简单， 规则， 横向刚度不能相差太大， 以免出现过度的动态变化。 剪力墙结构在整体地震倾覆力矩中的比例应该得到合理的控制， 同时也要考虑框架与剪力墙的剪力分担比例。 在满足结构抗震性能要求的情况下， 具有良好的经济效益。

4.2 剪力墙结构定位不合理

在采用剪力墙结构时， 应考虑两种结构体系的最大高度。 剪力墙的厚度和高度都有严格的规定，其计算结果必须符合规范， 尤其要注意底部加强区的加强。 在框架剪力墙结构中， 由于水平力的限制，底层框架结构所承受的地震倾覆力矩和结构整体的倾覆力矩比例存在很大差异。 在进行结构设计时，应根据倾覆力矩之比， 来决定其对应的适合高度及构造要求。 在确定倾覆力矩比时， 需要根据框架和剪力墙的实际情况来确定。 在此基础上， 结合剪力墙实际倾覆力矩的计算结果， 得出了框架结构与剪力墙结构的抗震级别[2]。

在高层建筑的设计中， 应采用剪力墙结构。 在实际工程中， 应按建筑物的布局， 在适当的部位设置剪力墙， 以达到建筑物的正常使用和安全。

4.3 剪力墙结构难以平衡

剪力墙结构具有更大的抗震性能和最大可使用的高度， 但它的结构成本却很高。 许多建筑项目在进行结构设计时， 往往存在着两种不同的使用比例不能均衡的问题。 这使得在建筑设计中， 无论是造价还是安全性都很低， 所以， 合理地利用这两种结构成为了设计中的一个难点。

5 剪力墙结构设计中难点的解决办法

5.1 剪力墙连续梁超筋的处理

在进行剪力墙结构设计时， 应考虑到弯矩、 剪切力的合理控制， 以达到设计要求， 避免连续梁的超筋问题。 在剪力墙结构中， 一般会出现超过1/3的楼层的局部连梁超筋问题。 剪力墙的作用是导致剪力墙结构变形的重要因素， 所以必须对梁段高度进行严格的控制， 以达到科学化、 规范化的目的。为了提高剪力墙的抗震性能， 必须对其进行适当的调整。 当耦合梁在振动作用下产生不同程度的表皮破坏时， 其稳定性就无法得到保障。 并在此基础上，对墙壁和四肢进行了充分的分析， 通过科学的计算，得出最大的内力值， 并对其进行特殊的加固。

5.2 合理定位剪力墙结构

要想从根本上改善剪力墙的安全与稳定， 就必须合理地设置剪力墙。 在两个轴线或其它方向上，都要设置成两个方向， 这样可以保证建筑的侧向刚度。 在设计剪力墙时， 必须严格遵循有关规范， 以保证结构的重心距形心越近越好， 从而有效地控制和限制扭转。 剪力墙应该是竖向对齐的， 结构和底层的剪力墙避免布置发生突变。 剪力墙的孔洞布置要合理， 防止墙体刚性的过度变化， 剪力墙的内向和外侧选择间距要保持在合理的范围内[3]。

5.3 剪力墙结构难以平衡

1） 大墙肢的处理， 对于长型剪力墙， 为了防止剪力墙在剪力作用下破坏墙体， 一般采用有针对性的方法进行延伸性设计。 在剪力墙结构中， 墙体的剪力主要是靠墙肢来承受， 因此必须采取相应的措施来防止墙体的质量问题。 所以， 在实际工程中，应该先把长壁肢张开， 再采用填充墙进行砌筑， 使长壁肢变为短壁肢。

2） 墙体配筋， 在进行剪力墙配筋时， 必须对其进行适当的控制， 以确保其稳定， 提高设计成果的经济利益。 剪力墙结构不但具有数量大、 覆盖面积大等特点。 并在此基础上， 按计算配筋比例进行设计。 采用双向钢筋网时， 其钢筋间距不宜大于30 cm， 从而避免了墙体配筋时的资源浪费。 在剪力墙平面内方向上， 剪力墙的抗弯曲性能均较好。 在底部加强部位时， 应对最小配筋率进行调整。 根据有关规范和要求， 将钢筋置于薄弱位置， 当竖向钢筋数量过多时， 应及时调整其折减强度， 以保证其抗震能力[4]。

6 案例分析

6.1 工程概况

本工程楼层层数为24 层， 总高81m。 楼层主要功能为办公和宾馆， 一层到三层是商务办公， 四层是设备层， 其它楼层是宾馆， 地下一层是地下室。该工程的地震设防烈度为7 级， 场地类别属于Ⅱ类。

6.2 主体结构选型

由于该工程是一座24 层、 高81m的高层建筑，同时考虑到高层建筑的设计特征， 其主体结构为双向现浇钢筋砼框架剪力墙。 结构体系满足了结构的抗震、 抗风、 抗重力、 抗风等性能指标， 结构整体位移、 稳定性、 节点延性等指标均满足。

6.3 楼盖结构选型及楼屋面板设计

鉴于其主要结构为双向现浇钢筋砼框架剪力墙，故在结构上宜选用现浇钢筋混凝土梁板结构， 以便与其配合。 结合建筑的平面布局， 考虑了楼盖次梁的横向布置， 在纵梁上支撑。 楼体面板为多跨连续板， 其中商用层厚度为120mm， 其它层为100mm。

6.4 剪力墙截面

该楼的剪力墙端柱与剪力墙的厚度， 如表1、 2所示。

表1 剪力墙端柱截面尺寸

表2 剪力墙厚度

6.5 高层建筑结构设计及构造要求

本文以某工程中的框架剪力墙为实例， 对其结构的设计和构造要求进行了阐述。 在此基础上， 在结构剪力墙结构和剪力墙的截面设计中， 提出了一些基本的设计要求。

在此基础上， 本文提出了一种基于剪力墙的剪力墙体系的结构设计方法。 因此， 在此基础上， 应明确剪力墙结构的最基本结构， 以保证其最小的强度与延性， 同时， 在本项目中， 在剪力墙周围布置的梁端立柱， 其配筋及截面尺寸也要满足相关规范[5]。

7 结语

剪力墙结构是当今建筑结构设计中普遍采用的一种形式， 随着施工技术的不断发展， 其应用越来越广泛。 剪力墙结构的设计要遵循一定的规范， 要结合工程的具体情况， 不能盲目地采用剪力墙结构，要做到有针对性、 科学性， 要综合考虑和分析各种影响因素， 保证设计的有效、 合理。