剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用

甘俊

安徽实华工程技术股份有限公司 安徽 合肥 230000

引言

在建筑墙体的设计中，应善于运用剪力墙结构，特别是高层建筑的墙体。在进行剪力墙施工的时候，采用滑膜技术和模板技术，提高了施工的效率，提高了施工的质量。在混凝土剪力墙的浇筑中，大模板技术具有较高的技术水平，操作方便，抗震性强，整体性好。在建筑结构设计中应重视采用剪力墙结构，以提高施工效率与建筑质量。

1 剪力墙结构概述

1.1 剪力墙结构的概念和优点

剪力墙结构是以钢筋混凝土剪力墙取代框架柱，使墙体能够承受水平和垂直荷载，因此，提高结构的抗风、抗震能力。由于剪力墙结构具有高强度、高刚度、高稳定性，已被广泛用于高层建筑。同时由于其经济、使用效果好、满足人们的审美要求，剪力墙在高层建筑中的地位日益重要[1]。

1.2 剪力墙结构的缺点

由于剪力墙在建筑或构筑物中起到了很大的作用，能够对空间进行有效的划分与维护，所以在结构设计上既要考虑结构，又要考虑平面的双重布置要求。与传统框架结构相比，剪力墙具有较好的抗侧承载能力，但同时也有一些缺陷。剪力墙的间距限制性很强，不能很好地应用于大型建筑的设计。由于剪力墙本身质量较高、灵活性较差，所以在小面积的住宅、公寓等建筑中应用较多，而且作为建筑的主要承载构件，不能任意改变或拆除，从而制约了居民的个性化空间要求[2]。

1.3 结构分类

1.3.1 壁式框架剪力墙。墙式框架剪力墙的墙肢，连梁的刚度与墙体相似，且孔洞较大，这种剪力墙结构在楼层处的弯矩会有很大的改变，大部分楼层处都会出现反弯点，而且大部分的变形曲线都是剪切型的。

1.3.2 整截面剪力墙。顾名思义，就是为了保证剪力墙的完整性，不会有洞口或者面积很小的洞口。这种剪力墙结构在受力时，该结构的剪力墙肢弯矩呈直线性正应力分布，其变形曲线为弯曲型。

1.3.3 整体小开口剪力墙。该结构中的剪力墙在竖直方向上设有孔洞，尽管其开口面积大于正截面剪力墙，但其仍属于小面积孔洞，而且整个悬臂梁对其力学特性有很大的影响。墙肢自身的弯矩很小，存在着突变的可能性，但不存在倒弯点，并且，在截面上，正应力是制线性的，其变形曲线为弯曲型。

1.3.4 连肢剪力墙。该结构在竖向上设置孔洞，孔洞面积越大，墙体的刚度越大。如果有多个孔洞，就是多肢剪力墙。当孔洞数量较少，面积较大时，为双肢剪力墙。连肢剪力墙中的连梁会对墙体产生一定的限制，从而引起墙体的弯矩发生突变，产生一个反弯点，墙肢的局部受力作用使其正应力分布呈现出非线性，其变形曲线为弯曲型。

2 剪力墙结构在建筑结构设计中的设计原则

剪力墙结构具有美观、经济、承载能力强、刚度高等特点，可有效地改善建筑物对水平荷载的抵抗能力，同时结构整体稳定性得到了有效的改善。但是，我国至今尚无统一的剪力墙设计规范，所以在进行剪力墙结构的设计时，必须遵循以下几点[3]。

2.1 拉通对直

在进行建筑结构设计时，要注意使上下两楼层剪力墙的门窗与洞口保持竖直方向上的对直，同时为了保证剪力墙结构的抗震性能，对传力方式进行了合理的设计。基于此，剪力墙结构应沿轴线拉通对直，以防止产生交叠、错洞等问题，从而降低整体结构的整体性能。

2.2 双向布置原则

在结构的水平方向、竖直方向上设置剪力墙，可以使其的抗震性能得到进一步的改善，同时也能保证其双侧抗侧力。

2.3 竖向贯穿

合理的剪力墙结构应该沿着垂直方向自上而下地贯穿整个结构，如果在垂直方向上出现剪力墙结构变动，墙体的刚度和厚度都会随之变化，进而对建筑物的抗震性能产生一定的影响，这时可以通过调节剪力墙单元的刚度来增强建筑结构其对侧刚度的抗性，从而避免由于刚度突变而带来的不利影响。

2.4 洞口宜成排成列、上下对齐

洞口对剪力墙的承载力、刚度均有影响，但随着剪力墙结构长度的增加，其承受的荷载越多，采用适当的开洞可以有效地分担荷载，采用弱梁将洞口连接，并将墙肢长度限制在8m以内。

2.5 与建筑高度适配

剪力墙结构按洞口的设计分为：实体剪力墙、小开口剪力墙、连肢剪力墙、壁式剪力墙等，并根据实际情况合理选用剪力墙，既能适应建筑物的受力要求，又能适应建筑物的高度要求。

3 剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用

3.1 承重构件以及地基基础方案的设计

在进行剪力墙结构设计时，必须考虑到水文地质条件、周边建筑分布、工程建设需求等诸多因素的影响因素，以保证其设计方案能够与周边环境协调、协调发展。设计人员要根据建筑施工环境和相关规范的要求，应对其承载构件进行合理的设计，从而保证结构的整体稳定性达到规范。为保证建筑结构的整体稳定性达到标准，应对剪力墙结构的承载构件进行合理的设计。在剪力墙结构设计中，以墙体的配筋率为重要指标，竖直及水平方向的配筋率不能低于0.25%，框支剪力墙的底层加固部位配筋率不能低于0.3%。在进行剪力墙结构设计时，应充分考虑地基基础的重要性，注重对承重构件的设计和优化，并根据自己的设计经验和工程参数，科学地制定施工技术参数及建设标准规范，以防止结构设计不合理而导致的建筑安全隐患，同时，经过多方论证，确保该设计方案的科学、可行[4]。

3.2 剪力墙结构的设计

在进行双向设计时，要尽量使两侧的刚度保持一致，这样才能在墙体内产生空间结构，尤其是在抗震设防区域。在设计时，尽量使墙体的平面分布均匀，使其刚性中心尽量接近建筑的中心，尽可能地减小其扭转作用。当刚度中心与建筑中心的偏差较大时，可通过调节墙体的长度、连梁的高度来调节结构的刚度中心。剪力墙结构抗侧刚度高，自振周期短，抗水平地震作用大，因此，剪力墙结构的抗震性能将受到很大的影响。减少墙体厚度，增加主次结构的剪力墙间距，减少墙体总数等措施来减少建筑结构的总质量，增强建筑物的抗侧移刚度。剪力墙结构最大的优点是其承载能力和平面刚度好，但它的平面外承载力和刚度都很低，若将平面外向梁与剪力墙直接相连，则会增加墙肢的平面外弯矩，为了解决这一问题，可以采取半刚接的方法来调节墙肢的平面外弯矩。

3.3 大墙肢处理

在剪力墙结构设计的过程中，应充分考虑其延展性，如果不合理地处理，将会对其稳定、耐久性产生不利的影响。在保证剪力墙结构的承载力条件下，可以将大跨度的剪力墙分为若干个单独的墙段，以提高其稳定性，防止由于外力的影响而导致整体剪力墙受到损害，为了达到这一目标，可以在长的剪力墙结构上适当地开洞，也就是说，将长墙肢改造成墙肢，然后在工程完工后进行修补。

3.4 剪力墙厚度的控制与配筋

通常，剪力墙结构的高、宽都是比较大的，但其厚度比较小，其受力特性与柱类似，主要是高厚比的差别，当高厚比小于4时，可以参考柱进行时设计；在高厚比为4左右时，可以参考异形柱的设计思路，进行双向受压结构设计。

3.4.1 剪力墙结构厚度设计。按国家有关法规，若建筑工程抗震等级为一、二级，剪力墙结构底部加强部分的厚度应在2cm以上，其高度为层高的1/16，而剪力墙的其他结构的厚度不能小于1.6cm；如果剪力墙结构的末端没有翼墙，那么应大于层高的1/12。但有关规定并不能应用于全部的建筑物，例如在设计中，当楼层数为5～15的时候，这种情形下的剪力墙肢在重力作用下的轴压比一般都在0.2以下，如果按规范计算，则底部功能要求3.9m的层高，墙体厚度至少2.4cm。如果存在这种情况，根据实际工程实际，设计人员应对墙体的轴压比进行再设计，并对剪力墙的截面进行强度校核，合理地确定钢筋的配筋率，使其整体性能达到建筑要求。

3.4.2 墙体配筋率设计。我国已明确提出，在抗震等级为一二三级的剪力墙结构中，其竖直与水平方向的最小配筋率不得低于0.25%，而在某些框支剪力墙的底部加固部位，其配筋率不得低于0.3%。这种方法适用于高度较高、长度较长的剪力墙结构，可以明显地改善其稳定性，但在低层剪力墙结构中，应反复验证配筋率的合理性。

3.5 连梁的设计与优化

连梁主要起到支撑墙肢的功能，墙肢在承受较大水平荷载时会产生弯曲，这样会对连梁的平直度产生一定的影响，导致整个墙肢的结构不稳定。优化墙肢的受力状况可以避免墙肢的弯曲，因此，在实际工程中，合理的连梁设计也将极大地影响到剪力墙结构的整体性能。

在各种剪力墙结构中，连梁并非必需的结构，但是，对于有连梁的剪力墙结构来说，如果没有合理的设计，必然会对连梁的承载力产生影响，甚至出现截面与设计不相符的现象。因此，在设计连梁时，应注意：①折减连梁的刚度，连梁的跨高较低，与之连接的墙体刚度大，在水平应力的作用下，连梁可能会受到很大的内力，从而引起连梁开裂或断裂，因此，在设计时要合理地降低连梁的刚度，如果抗震设防烈度较小，可以降低折减系数，在抗震设防烈度大的情况下，折减系数应适当增加，而折减系数应不小于0.5；②增大洞口的宽度，降低连梁高度，可以显著降低连梁的刚度，提高结构的抗震性能；③根据工程实际，适当增大剪力墙的厚度。

4 设计剪力墙结构时应注意的要点

剪力墙结构设计的科学性与合理性对于确保建筑物的稳定起着举足轻重的作用，下面将简要总结出三个方面的设计要点，其他的一些优化措施则需要设计人员根据具体情况进行灵活的调整。

随着建筑的结构、样式的不断变化，剪力墙结构的形式也会有所不同，其所承受的荷载、荷载分布以及整体刚度也会有很大的差异。为保证剪力墙能够均匀分担荷载，应按照有关规范合理地设定剪力墙的厚度，墙肢的截面高度为其厚度的8倍或更大。

剪力墙结构的外形也会对其稳定产生影响，目前已有的剪力墙结构形式多为 T型和 L型，可以有效地减轻自身的重量，减小自身的体积，提高其侧向刚度，从而大大节省了工程造价。

剪力墙结构的稳定性与其各个部件的质量有关，除控制连梁、墙肢等外，还应对暗柱、翼墙、端柱等边缘构件进行控制，并适当增大边缘构件的截面，以保证整体刚度，避免层间产生位移。

5 结束语

剪力墙结构在高层建筑中占有举足轻重的地位，其是确保建筑物整体的可靠、安全的重要因素。所以，在进行高层建筑剪力墙结构时，必须对其进行质量控制。由于剪力墙结构的承载能力强、刚度大等特点，在建筑工程中得到了广泛的应用。此外，在剪力墙结构设计的过程中，应充分考虑与其他结构的连接，以确保整体结构的合理设计。为了更好地发挥剪力墙结构的优越性，有关设计人员需要分析其优缺点，掌握其应用要领，从而进一步凸显其优越性，进一步提高建筑物的整体质量。