浅析建筑结构设计中剪力墙结构的优化设计

宋瑞

【摘 要】 随社会经济的发展，建筑业在社会中占有越来越重要的地位，作为建筑结构的重要组成部分，混凝土结构剪力墙成为建筑业发展的一种趋势，建筑结构设计中剪力墙结构设计已经应用的很广泛，但是因为我国并没有对其进行详细的规定，使得很多的细则只能依据设计人员的经验来设计。由此剪力墙的优化设计势在必行。

【关键词】 建筑结构设计；剪力墙；优化设计

前言：

现行建筑结构中根据选材可以分为诸多类型，例如砌体结构类型、钢结构类型、混凝土结构类型等。而混凝土剪力墙结构，由于剪力墙的截面运用灵活，剪力墙结构具有刚度大、整体性能强、抗震性能好等优点，容易满足建筑使用功能及民众对安全性能的需求，因此被广泛应用于建筑施工当中。

一、剪力墙结构的概述

剪力墙结构是用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱，能承担各类荷载引起的内力，并能有效控制结构的水平力，这种用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构称为剪力墙结构。这种结构在高层房屋中被大量运用。剪力墙是建筑的一种竖向承重构件，但其受力方式与柱子是不同的。一般在结构体系中，由于剪力墙的刚度比较大，所以在承担结构的侧向力方面有较大的贡献，而在受力是往往剪力墙不出现反弯点。一般剪力墙用于高层建筑中较多，当然在底框结构中也要布置剪力墙。

二、剪力墙结构的种类及分类依据

1、有壁式框架的剪力墙

这种剪力墙的特点是洞口的尺寸比较大，墙肢线刚度与连梁线刚度非常接近，剪力墙在受力后呈现剪切型，这种受力特点和框架结构非常相似。在高层建筑中采用这种剪力墙容易出现反弯点，在楼层处反弯图也有可能发生突变。

2、截面剪力墙或者实体墙

这里所说的截面剪力墙是指墙体不开洞或者所开洞的面积不超过15%。这种类型的剪力墙在受力后的变形主要呈现为弯曲型，整体上看这种剪力墙像是一个悬壁墙，弯矩图上既不存在反弯点，也不发生突变。

3、双肢或者多肢剪力墙

这一类型的剪力墙的特点是开口比较大，而且洞口一般成列分布。

4、整体小开口剪力墙

这一类型的剪力墙开口普遍较小，但是开洞的面积比较大，一般不低于15%。整个剪力墙在受力后主要的变形方式是弯曲型，在整个墙肢上几乎没有反弯点，但在弯矩图的中心位置容易发生突变。

三、剪力墙结构设计中容易出现的问题分析

剪力墙结构设计是建筑结构的设计的一部分，也是最重要的一环，设计质量的好坏直接影响到建筑物的安全、适用、经济和合理性。因此，在实际设计过程中，设计剪力墙结构的侧向刚度不能太大，若采用的是全剪力墙的结构，也就是除了门窗洞其他都是剪力墙，没有任何后砌填充墙，则其侧向刚度就会太大，此时的地震作用也就会变得较大，显然是不经济的，也是不合理的。而对底层剪力墙设计厚度要求为：在对抗震进行设计时，筒体与一般的剪力墙承所受的第一振型底部的地震倾覆力矩是不允许小于总底部地震的倾覆力矩的50%。对于短肢剪力墙比较多的结构中，不少的设计人员会将较短的墙段画成约束边缘构件或者是构造边缘构件，并把计算所需要的纵向钢筋均匀的配置于整个的墙段内，很显然这样是很不妥的，因為配置于墙肢中以及轴附近的钢筋是不能发挥其作用的，所以其纵向的钢筋必须向着墙肢端部来集中，同时可以打印出剪力墙边缘构件配筋的计算结果来加以复核。另外，抗震墙的墙肢长度应不超过墙厚的3倍时，要按柱的设计要求来进行设计，箍筋必须沿全高进行加密和SATWE等的程序在计算时，都要按照该条的规定进行办理。如墙厚的是200mm和墙肢的长度为600～800mm，此时墙肢的长度虽然为墙厚的3～4倍，但还是认应该按柱来配筋。某些设计人员在电算总信息里输入的配筋率为0.30%，剪力墙的竖向和横向分布筋也不需要过大，若墙厚的是200或者250mm，那么纵和横向的分布筋都配Φ12@200双排（配筋率达0.565%～0.452%）就是没有必要的，但其钢筋间距应不大于200mm，以此来防止剪力墙的开裂处。

四、剪力墙结构的计算和配筋

1、剪力墙的墙身

剪力墙中包括的有竖向钢筋和水平向钢筋，在对其进行构造和计算时，要对其用量进行确定，主要对正截面中的抗弯承载力、斜截面中的抗剪承载力进行验算。剪力墙中的钢筋配置要求为：在一级、二级、三级的抗震设计中，竖向配筋率与水平配筋率不能低于0.25%；在四级、一级非抗震设计中，其配筋率不能低于0.2%。另外，剪力墙的竖向钢筋与水平钢筋之间的距离适宜在300mm左右，直径不能低于8mm。

2、对结构参数进行控制

为了有效的保证结构布置的科学合理性，需要对位移比、刚重比、侧向刚度比、层间位移角以及周期比等参数进行控制。其中，位移比指的是在高层建筑中，其竖向构件自身的层间位移、水平位移和本楼层平均值之间的比值。主要对结构布置自身具有的不规则性进行限值，能够防止出现大的偏心力，进而导致结构出现扭转效应。另外，位移比限制主要是将刚性楼板基础进行确定的，在对偏心力因素进行考虑的前提下，高楼建筑中竖向构件中的位移比小能高于1.2。

3、楼层之间最小剪力系数的调整原则

在建筑工程项目中，为了有效的减轻结构自重、避免因为地震而引发建筑结构垮塌问题，在设计中应当考虑少布置剪力墙，但是这一前提必须是在剪力墙满足建筑结构竖向、水平荷载的要求下，从而合理、科学的布置剪力墙，这样不仅能减少工程施工和投入，而且能大大的提高建设效益。

4、楼层层间最大位移与层高之比的调整原则

对于常规建筑工程施工建设而言，设计工作的重点主要是置放在两主节点的扭曲和施工建设中，是通过科学控制扭转变形和抗剪切能力来达到预计设计标准的一个工作模式，但是在剪力墙建筑结构的设计工作中，竖向荷载的多少是整个设计工作的重点，如果竖向构件的数量过多，必然会导致剪力墙比重大，给水平荷载造成威协，如果设计过少却又无法满足工程施工建设要求，导致整个结构时久性、功能性不佳，给施工效益造成威胁。

五、剪力墙结构计算优化

剪力墙结构设计时，应根据规范要求结合建筑自身特点来判断结构是否合理。布置剪力墙，尽可能布置大开间剪力墙，尽量做到结构的刚心与质心相一致，尤其是剪力墙的平面布置、墙肢的长短等均应合理，使得楼层最小剪力系数、位移、周期等尽可能接近规范限值。这样既能够减轻结构整体重量，又能够有效减小地震效应，同时也能达到降低工程造价的目的。因此，对于高层建筑的平面结构布置应尽可能的均匀，使结构扭转变形最小，而不能仅根据层间位移不够就不停地增加竖向构件的刚度。限定其比值使得抗侧力构件的平面布置更合理、更有效、更经济，使整体结构不出现比较大的扭转效应。在实际工程应用中，我们应将竖向构件尽可能沿建筑周边均匀布置，调整结构中间部位构件的刚度，这样既有效提高结构整体的侧向刚度，又能够大幅度的提高整体结构刚度。

在剪力墙结构中，剪力墙连梁这一耗能构件，其超限问题尤为特出：连梁的剪切破坏将对结构整体抗震产生极为不利的影响，并将大大降低结构的延性。连梁的跨高比小于2.5的其刚度大，极容易出现弯矩、剪力超限。因此在高层剪力墙结构的优化设计过程中，一定要注意对其连梁进行强剪弱弯的验算，以保证连梁的剪切破坏晚于弯曲破坏。而且我个人认为在工程实际应用中人为加大连梁纵筋的操作一定要慎之又慎，因为这样就有可能无法满足其强剪弱弯的要求。当然也不能单纯地认为加大箍筋就一定能够确保其强剪弱弯的要求，这是由于当连梁不能满足其截面控制条件时，盲目地加大箍筋必然会导致连梁在其箍筋还未充分发挥作用时就发生剪切破坏。这样对工程造价增加了，而安全却没有得到加强，对于那些跨高比大于2.5的连梁，应注意将其剪力设计值乘以增大系数。剪力墙的墙体配筋：对于剪力墙结构来说，剪力墙是数量是比较大的，对于合理的布置墙体配筋对于工程的经济及结构安全性都有重要的作用。配筋应满足规范建议的最小配筋率即可但同时还应服从整体结构计算的需要。

剪力墙结构设计的关键是，既要发挥这种体系刚度大、抗震性好等优点，又要克服其工程费用高等缺点。在许多情况下，并不是钢筋配的越多越好，剪力墙越多越安全，认识这一点对结构设计人员非常重要。结构工程师应针对不同的项目进行合理的分析，选择与实际情况最接近的受力模型并充分了解所使用软件，合理选用计算参数，只有这样才能够做到结构安全，技术经济合理。高层剪力墙结构设计时应进行反复的优化调整设计，在注重概念设计的前提下，认真调整优化各项技术参数，使整体结构达到相对较优的结果。这就要求我们在今后的设计中要不断提高设计水平及改进设计理念。

六、結束语

维护剪力墙结构设计的科学合理，就要全面确保一些构件的精准计算，可以引入结构试验方法，进行科学的检查和验证，例如：常见的边缘结构的计算和设计，经过计算得出结论：在墙肢截面两侧装配翼缘能够全面提升其延展性，然而，经过结构试验研究则显示出完全不同的结论，所以，在实际的生产实践操作过程中，一方面需要科学运用有关理论和计算方法，另一方面也要积极做好实验，将理论研究与实验验证联系起来，最终获得最科学的结果。

参考文献：

[1]王海渡，杨木.张明星，丁意平.小高层住宅中短肢剪力墙结构的设计应用[J].能源技术与管理.2005（1）.

[2]姜洪斌，翟希梅，王风来.配筋混凝土小砌块剪力墙的设计应用[J].低温建筑技术.2003（1）.

[3]于群小高层住宅中短艘剪力墙结构的设计应用[J].中国科技信息.2005（19）.

[4]张智锋，商伟鹏，耿巍.关于侧向刚度比在结构设计应用中的理解[J].建筑设计管理.2010（6）.