基于土木工程结构设计中的剪力墙结构设计研究

崔露

(山西筑城建筑设计有限公司，山西 太原 030006)

剪力墙是一种通过在结构的纵向或横向设置墙体，目的是增强结构的抗剪能力和抗震能力，剪力墙结构形式的设计内容涉及剪力墙的布置、尺寸、等多个方面。根据结构的位置、形状和功能，剪力墙的类型不同，并且在不同的设计理念下，剪力墙的设计方法和要点也会有所区别。

1 剪力墙结构设计内容

土木工程结构设计中，根据工程用途和要求，设计和计算建筑物、桥梁、隧道等土木结构的承载力、稳定性和安全性，设计之前，需要与业主或委托方充分沟通，了解工程的需求、目标和约束条件，这包括了解工程的用途、预期负载、环境条件以及法规和规范要求等。初步设计环节，要确定结构的类型、形式和布局等，并进行初步的荷载计算和分析，以确定结构的主要尺寸和形状。进行详细的结构计算和分析，确定结构的承载力、稳定性和安全性，计算和分析结构受力情况、应力、变形、挠度等，并考虑静力特性、动力特性和温度效应等因素。根据结构的设计要求和计算结果，选择合适的材料，并确定其规格和性能参数，常用的结构材料包括混凝土、钢材、木材、复合材料等。剪力墙结构设计环节，涵盖了多项设计要素，剪力墙的厚度一般为160mm～300mm，以提供足够的抗侧向力和刚度，高度通常由建筑物的层高和设计荷载确定，宽度则根据设计荷载和剪力墙的位置来决定，通常情况下，剪力墙的高度和宽度会随着建筑物的高度和设计荷载的增加而增加。

剪力墙的厚度相对较小，这是为了确保其能够承受荷载并提供足够的延性，剪力墙的厚度通常由材料的强度和设计荷载确定，厚度参数应满足建筑规范的要求，并经过结构计算和验算。剪力墙的布置和分布应根据建筑物的结构布局和荷载情况进行合理的设计，均匀分布在建筑物的周边或内部，以提供良好的抗侧向力分布和整体稳定性。剪力墙与建筑结构的其他部分应采取合适的连接和加强措施，以确保其能够有效地传递荷载，包括钢筋混凝土剪力墙与结构柱、梁的连接，以及在剪力墙的顶部和底部设置横向钢筋和拉杆等加强措施。在剪力墙中设置开口或洞口时，要进行适当的加强做法和设计，开口或洞口的尺寸和位置应根据结构计算和验算确定，并采取合适的加强措施，保证剪力墙的整体稳定性和强度。

2 剪力墙结构分类

2.1 整截面墙

整截面墙通常不开洞或者开洞面积较小，一般小于15%，其受力状态类似悬臂构件，洞口对墙肢内力分布的影响极小，在水平荷载的作用下，墙肢水平截面内的正应力呈直线分布。

2.2 整体小开口剪力墙

整体小开口类型的剪力墙具有较小的开洞面积，大于15%，开洞面积较大，可能会对剪力墙的整体刚度和稳定性产生影响。因此，在设计中要采取适当的加强措施，如在开洞周边设置加强筋或钢板，以保证剪力墙的整体性能。

2.3 壁式框架剪力墙

壁式框架类型的剪力墙在剪力墙洞口尺寸较大的情况下，会出现受力墙发生剪切型变形的情况，这种剪力墙通常用于大开口或大洞口的情况，如门窗洞等。在设计中需要考虑洞口的位置和尺寸对剪力墙整体结构的影响，并采取相应的加强措施。

2.4 双肢或多肢剪力墙

双肢或多肢剪力墙的特点是开口较大，洞口呈列分布，与整体小开口剪力墙相似，也是通过整个剪力墙截面的抗剪能力来承担侧向荷载。该特点下，设计人员要在设计中考虑洞口的位置和尺寸对结构整体稳定性的影响，并采取相应的加强措施[1]。

3 土木工程结构设计中剪力墙结构设计的理念

剪力墙结构设计在土木工程中起到了增强结构抗剪承载能力的作用，有效增强了结构刚度，从保持柱和梁截面合理性的理念角度进行剪力墙结构设计，要体现剪力墙承担大部分水平荷载和抗剪力的功能。为了确保剪力墙的受力效能，要保持剪力墙周边柱和梁截面尺寸的合理性，以免出现刚度突变，在满足抗弯强度要求的同时，尽量避免出现截面过大或过小的情况。剪力墙结构中的柱设计中，考虑柱的稳定性和抗剪承载能力，保持纵筋配筋率小于5，确保纵向钢筋密度合理，较小的配筋率可以有效控制剪力墙柱的开裂和局部破坏，提高柱的整体抗震性能，在此基础上，保持配筋在柱截面中的对称性，这有助于提高柱的受力均衡性和施工方便性。剪力墙结构的设计还要考虑施工的便捷理念，保持配筋对称，可以减少施工中的操作难度和错误可能性，提高施工的效率和质量，综合构件的连接方式、模板安装、钢筋的布置等施工因素，以推进施工的顺利进行[2]。

4 土木工程结构设计中剪力墙结构设计要点

4.1 剪力墙截面厚度设计

在剪力墙结构设计中，剪力墙截面厚度的选择直接关系到墙体的抗震性能和承载能力，设计人员要根据建筑结构设计方案中规定的剪力墙最小厚度，保证设计方案达到结构整体稳定性和抗震性能的要求。剪力墙截面厚度的设计中还应考虑到墙体的抗震性能要求，墙体的抗震性能是指在地震荷载作用下，墙体能够承受荷载并保持稳定的能力，要保证墙体能够在地震荷载作用下不发生破坏或失稳。

考虑到墙体的承载能力需求，根据建筑的用途和设计要求，确定墙体能够承受的荷载大小、截面厚度。一般情况下，剪力墙采用的材料是混凝土，因此在选择截面厚度时需要考虑混凝土的强度和耐久性要求，考虑结构的经济性，因为截面厚度过大会增加材料的消耗和施工成本，而截面厚度过小则可能导致墙体的承载能力不足，因此，在满足抗震性能和承载能力要求的前提下，需要尽量选择经济合理的截面厚度[3]。

4.2 设置构造边缘构件和约束边缘构件

约束边缘构件是在剪力墙的边缘位置设置的一种构件，其作用是改善受力性能，增强结构的抗震能力，根据抗震等级和剪力墙的底部截面轴压比，约束边缘构件的设置可以分为两种情况。对于抗震等级一、二、三级的剪力墙底部加强部位及其上一层的剪力墙肢，只有当底层墙肢截面轴压比大于规范规定的限值时，才需要设置约束边缘构件，这是因为底层墙肢的截面轴压比较大，需要增加约束边缘构件来提高其承载能力和抗震性能。其他位置的剪力墙应设置构造边缘构件，构造边缘构件相对于约束边缘构件要求松一些，其主要作用是增加剪力墙的刚度和稳定性，提高整体结构的抗震能力。约束边缘构件和构造边缘构件对体积配箍率等要求也有所区别，约束边缘构件的体积配箍率要求较高，以增加构件的延性和抗震能力，而构造边缘构件的体积配箍率要求相对较低，主要用于增加刚度和稳定性。总的来说，约束边缘构件和构造边缘构件都是用于增强剪力墙的抗震能力和受力性能，具体的设置位置和要求会根据不同的抗震等级和剪力墙的受力情况进行设计和确定[4]。

4.3 剪力墙连梁超筋处理

剪力墙连梁超筋是指在剪力墙结构中，由于连梁的钢筋布置不合理或配筋设计不足，造成连梁钢筋超过设计要求的现象，连梁超筋会导致墙体的变形、开裂和破坏，严重影响结构的安全性和正常使用，为了防止连梁超筋现象的发生，需要进行合理的钢筋布置和配筋设计。减小连梁的截面高度，降低其刚度和抗弯承载能力，从而减少连梁超筋的可能性，对连梁弯矩、剪力进行调整、调幅，塑性调幅设计，降低连梁的受力水平，减少连梁超筋的风险。当连梁破坏对竖向承载力无明显影响时，可考虑大震时连梁不参与工作，但连梁本身设计应满足非抗震设计的承载能力和正常使用要求，在大震时，连梁可以不参与工作，以减少其受力，但仍需要满足非抗震设计的承载能力和正常使用要求。折减系数不应小于0.5，通过对连梁刚度进行折减，可以降低其对结构整体刚度的影响，减少连梁超筋的可能性。采用连梁铰接处理的方法，可以在地震时降低连梁的刚度和强度，从而减少连梁超筋的风险，在连梁的中部设置水平缝，可以在地震时产生一定的位移伸缩，以减小连梁的刚度和受力，降低连梁超筋的可能性。通过提高连梁所使用的混凝土等级，增加其抗弯承载能力和抗剪承载能力，提高连梁的抗震性能，减少连梁超筋的风险。明确剪力墙结构设计要点，见图1，在超筋区域的两侧增加附加钢筋，形成钢筋网格或带状钢筋布置，根据结构的尺寸、超筋的尺寸和受力要求来确定附加钢筋的大小和间距。

图1 剪力墙结构设计要点

为了保证加强超筋处的钢筋的有效性，因此在设计和计算过程中，考虑附加钢筋与超筋之间的传力机制和相互作用，确保附加钢筋能够充分发挥作用，与超筋共同承担受力，并提高超筋区域的承载能力，优化钢筋的变形性能，值得一提的是，加强超筋处的钢筋应符合相关的设计要求和规范，由专业的结构工程师进行计算和决策。加固连梁构造的设计环节，在连梁超筋的情况下，尤其要做好加固处理，通过增加连梁的截面尺寸、加强连梁的横向连接的方式，以提高连梁整体稳定性，强化整体的承载能力。设计中应根据实际情况进行计算和验证，以确保连梁的受力性能满足结构设计要求，在施工过程中也要进行严格的质量控制，确保连梁的钢筋布置和配筋按照设计要求进行顺利施工[5]。

4.4 保持剪力墙洞口及门窗上下对齐

在设计剪力墙时，需要注意剪力墙洞口和门窗的布置和对齐，以保护墙体的安全，防范墙体的变形，减小建筑结构的倒塌风险，合理布置剪力墙，避免过度集中，剪力墙洞口和门窗的布置和对齐是为了保持墙体的连续性和一致性，防止墙体出现断裂。在设计剪力墙时，洞口和门窗的位置应与剪力墙的边缘对齐，即在剪力墙的边缘线上设置洞口和门窗，洞口和门窗的尺寸也应与剪力墙的尺寸相适应，尽量保持一致，确保墙体在受力时能够均匀分布，避免局部应力集中，提高墙体的稳定性，强化墙体结构的抗震性能。遵循一致性设计的原则，在位置和尺寸对齐的基础上，考虑洞口和门窗在垂直方向上的一致性，即洞口和门窗的上下边缘应与剪力墙上下边缘对齐，保持一致，确保墙体在受力时的整体均匀性，防止不均匀受力导致的墙体开裂或破坏。在设计洞口和门窗时，要根据洞口的位置和尺寸，结合结构的强度和稳定性要求做合理的计算，特别是对大型洞口或门窗，可采取适当的加固措施，如设置加强筋、加装构造边缘构件等，以保证剪力墙的整体强度和稳定性不受影响。进行洞口和门窗设计时，也要考虑施工的可行性和方便性，洞口和门窗的设计应尽量符合施工的要求，方便施工过程中的操作，促使后续安装活动的顺利实施。设置剪力墙时，应根据地震力的大小和分布，合理布置剪力墙的数量和位置，保持剪力墙布置方案的均匀性，避免过度集中在某些区域的情况发生，提高整个建筑结构的受力均匀度，减小结构的倒塌风险。对其他结构构件的位置和布置加强合理调整，例如，剪力墙的布置应与楼梯、填充墙等其他结构构件相协调，避免相互干扰和冲突，始终遵循相关的设计要求和规范，由专业的结构工程师进行计算和决策，确保结构的安全性。

在进行结构设计时，要综合考虑各个构件的功能、受力特点和布置要求，剪力墙作为主要的抗震构件，其布置应考虑到整体结构的受力分布，以确保整体的稳定性。剪力墙的布置应避免与其他结构构件(如楼梯、填充墙等)产生冲突和干扰，在设计过程中，要将不同构件的平面布置进行合理的叠加和排列，避免出现交叉、干扰等问题。根据相关的结构设计规范和标准，确定剪力墙的布置和相对位置，这些规范通常包含了关于结构构件布置、相互影响的要求，设计人员应该严格遵守这些规定。设计过程中，加强对结构分析软件的运用，在模拟和计算中，评估不同布置方案的受力性能，依据分析结果，确定最合适的剪力墙布置，调整其他构件的位置，以保证整体结构的稳定、安全。在开始设计之前，明确设计的目标和要求，了解结构的稳定性、安全性、经济性以及特定的使用需求(例如建筑的功能、空间要求等)。根据设计需求建立结构的三维模型，使用结构分析软件或计算机辅助设计工具来创建模型，定义约束条件，如建筑用途、受力要求、规范限制等，在模拟和优化过程中，明确约束要素，以保证方案的可行性。基于建立的模型和约束条件，尝试不同的构件布置方案，调整构件的位置、方向、数量等参数，以创建多个候选方案[6]。

4.5 采取双向剪力墙的布置形式

采取双向剪力墙的布置形式，优化了剪力墙抗震设计，在结构的主轴方向上布置剪力墙，以提高结构稳定性和整体刚度，双向剪力墙的布置形式主要用于长方形或近似长方形的建筑结构，在这种布置形式中，剪力墙沿着结构的主轴方向布置，通常是沿着建筑的长边或主要承载方向，使剪力墙充分发挥作用，提供更好的抗震能力。双向剪力墙的布置形式有效增加了结构的刚度和稳定性，当地震力作用于结构时，剪力墙能够承担和分散地震力，减小结构的变形和倒塌风险，减小结构的振动和变形，提高建筑的舒适性，创造安全环境。

对剪力墙之间的间距和布置的密度进行设计和调整，剪力墙之间的间距应根据结构的尺寸和地震力的大小来确定，密度适度，避免过度集中或过于稀疏，以确保结构的均匀受力和整体稳定性。双向剪力墙的布置形式应符合相关的设计要求，达到结构的安全性和可靠性规范，减小结构的变形风险，预防坍塌事故问题的发生[7]。

4.6 设计洞口，做好加强工作

剪力墙洞口加强是在剪力墙结构布置中保证洞口区域的结构整体稳定性的环节，做好加强可以增强结构整体的承载能力，防止墙体坍塌和剪力墙受力集中，在设计洞口时，首先要考虑洞口的尺寸和位置，洞口尺寸应符合结构要求，避免过大或过小，以免影响整体结构的稳定性，洞口的位置也应考虑结构的受力分布，避免将洞口设置在剪力墙的关键部位。剪力墙开洞大小设计应满足规范要求，剪力墙开有边长小于800mm的小洞口、且在结构整体计算中不考虑其影响时，应在洞口上、下和左、右配置补强钢筋，补强钢筋的直径不应小于12mm，截面面积应分别不小于被截断的水平分布钢筋和竖向分布钢筋的面积。穿过连梁的管道宜预埋套管，洞口上、下的截面有效高度不宜小于梁高的1/3，且不宜小于200mm，洞口处宜配置补强钢筋，被洞口削弱的截面应进行承载力验算。剪力墙的门窗洞口宜上下对齐、成列布置，形成明确的墙肢和连梁，应力分布比较规则，又与当前普遍应用程序的计算简图之间保持契合，优化设计结果，保证设计方案的安全可靠。同时宜避免使墙肢刚度相差悬殊的洞口设置。抗震设计时，一、二、三级抗震等级剪力墙的底部加强部位不宜采用错洞墙；如无法避免错洞墙，则易控制错洞口之间的水平距离不小于2m，一、二、三级抗震等级的剪力墙均不宜采用叠合错洞墙。在洞口区域的结构连接处，如墙体与连梁的连接点，需要特别加强，采用加宽和加强的钢筋连接形式，或者使用金属支撑结构等方式，以增加连接点的承载能力。考虑到剪力墙洞口加强的具体情况，需要根据实际工程条件进行综合设计，选取加强措施时，应经过合理的计算和工程实践验证，确保其有效性和安全性，在进行加强工作时，注意保证施工的质量和施工过程中对结构应产生积极的影响[8]。

5 结语

综上所述，土木工程结构设计中的剪力墙结构设计是确保建筑结构稳定性和抗震性能的关键环节。根据具体项目的要求和特点进行剪力墙的设计。合理布置墙体。优化墙体尺寸和材料。确保墙体具有足够的抗震能力。在设计过程中，要根据不同的设计理念和要求，灵活运用剪力墙的设计方法和工程技术，以达到结构设计和工程实施的要求，在工程实践中，不断积累经验、总结可行性方法。在剪力墙截面厚度设计、构造边缘构件和约束边缘构件的设置中，把握设计要点，提高剪力墙连梁超筋处理水平，加强有效处理，按照设计的要求顺利进行施工，保证配筋合理性。值得一提的是，要在剪力墙洞口及门窗上下对齐方面保持严谨的态度，加强对该施工环节技术要点的把握，增强结构的安全性和稳固性，在双向剪力墙的形式下打造舒适、安全的建筑环境、建筑空间。在设计洞口时，做好加强处理，提高剪力墙结构设计的准确性、可靠性，为土木工程领域的技术发展做出贡献。