剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用

朱国伟

摘 要：剪力墙是建筑物抗震抗风，保障安全稳定的重要设施。文章从剪力墙的特点、种类和结构设计的基本原则及优化措施等方面着手，对剪力墙结构设计中应予以重视的要点进行分析与阐述。

关键词：剪力墙；结构设计；设计原则；优化

引言

剪力墙是建筑物用来抵抗侧向压力和承受竖向重力的墙体，纵向贯穿整栋建筑，是建筑物的重要组成部分，广泛应用于高层建筑领域，在保障建筑稳定安全和抗灾能力方面发挥着举足轻重的地位。当今社会，随着建筑物功能和形态的日趋多样化，人们对建筑结构设计的要求也越来越高，剪力墙受到的关注不断加深，成为建筑设计和施工领域日常研究的重要课题之一。

1 剪力墙结构设计的基本原则

剪力墙具有高度、宽度大，厚度相对小的特点，外形接近板状物，受力情况与柱相似。剪力墙设计方法根据其肢长与厚度的比值确定，当剪力墙肢长与厚度的比值小于或等于3时，按照柱的方法来设计，当比值在3至5之间的时候则按照双向受压的异形柱来设计。

剪力墙结构体系中，剪力墙作为平面构件，承担着水平方向的水平剪力、弯矩和竖直方向的压力、重力。在轴力、弯矩、剪力的共同作用下，它受水平方向作用力的影响情况和底部嵌固于基础上的悬臂深梁非常接近。剪力墙承担着建筑物抗风、抗震等的多重职责，除了要具有能够承受地震作用和风压影响的刚度强度外，还要具有优良的延伸性能，以抵抗因地震和风吹产生的反复性非弹性形变所带来的延伸、能量消耗等负面影响并保障结构裂而不倒。为保障墙肢能有效防止墙体发生脆性剪切破坏，剪力墙应尽量设计成延性弯曲型。

剪力墙对于和墙体同一平面的载荷具有很强的承受力，刚性也强。对于来自非同一平面方向的载荷承受力较差，刚度也小。如果有和墙体不在同一平面的梁体与剪力墙相接，就会在墙肢平面外产生弯矩，进而导致剪力墙平面外变形过大，影响建筑使用安全。所以，要尽量避免剪力墙和平面外梁体相交。对于必须相交的情况，则需采取增设扶壁柱或在大梁轴线方向设置与梁相连的剪力墙等措施，来加强墙体平面外刚性和承受力，以便于保证剪力墙平面外的安全。

墙体的设计要从整个剪力墙体系进行分析，同时考虑竖直和水平方向的结构性能。求得内力后按照偏压或偏拉两种情况进行正截面承载力和斜截面受剪承载力的设计计算。在剪力墙承载力计算中，带翼墙的计算宽度一般都是在门窗洞口之间的翼缘宽度、剪力墙间距、墙肢总高的10%中取最小值。

2 剪力墙的特点及分类

剪力墙具有侧向承载力强、侧移小、吸收地震能量大、室内墙面平整的优点，同时对施工水平要求较高，工艺复杂，建设成本较大。根据墙体开洞数量、洞口尺寸大小以及墙体受力情况，剪力墙可以分之为以下几类。

整体小开口剪力墙：开洞面积大于15%但对墙体受力情况影响不大的墙。弯矩图在连梁处发生突变，在整个墙肢高度上没有发生反弯点。

实体墙：开洞面积0至15%的墙。其受力特点是如同整体的悬臂墙，整个墙肢高度上弯矩图既不发生突变也不产生反弯点，变形以弯曲型为主。

壁式框架：墙肢宽度小而洞口尺寸大，连梁和墙肢的线刚度接近的墙。整体特性位于剪力墙和框架之间。受力情况接近框架，弯矩图在楼层处发生突变，并且在大多楼层中会出现反弯点。

双肢或多肢剪力墙：开洞比较大或者洞口成列布置的墙。墙肢的线刚度比连梁大得多，受力情况与整体小开口墙比较接近。

3 剪力墙的布置原则

进行剪力墙设计，应该在沿着主轴的方向进行双向或多向布置，不同方向的剪力墙彼此互相连接，但要防止对直或拉通。在进行抗震设计的时候，要避免剪力墙单向布置情况的发生，使之具有良好的空间工作性能。剪力墙在分布上要尽量均匀且数量要相当，做到两个受力方向的侧向刚度接近。剪力墙的墙肢截面尽量做到规则、简单。在高层建筑的设计中，要控制好剪力墙的布置数量，配置数目过小，会导致结构的抗侧力和刚度下降，反之配置数目过大，会造成墙体性能的浪费，由于地震力依据墙体刚度分配，所以墙体刚度过大会导致震力过大。另外自身重力的增加，也会加大建筑倒塌的可能。

为防止建筑刚度发生突变，剪力墙要从下至上连续布置，贯彻整个建筑物。而在高层建筑中，剪力墙的刚度在竖直方向上要均匀分布，墙上开洞或门窗要有有墙肢和连接梁做保障。同时，墙肢截面尽量要设计成简单、规则的样式。

剪力墙要按照上下对齐、成列分布的原则开洞，杜绝叠合的错墙洞出现，以保障剪力墙的承重力，防止墙体变形。

墙肢截面长度与厚度之间的比值在5至8之间的剪力墙称为短肢剪力墙。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》規定，高层建筑不能全部都采用短肢剪力墙的结构设计。短肢剪力墙的结构最大的使用高度主要受地震烈度、柱网尺寸与结构自重和建筑物高度影响。

4 剪力墙结构设计及计算的优化原则

4.1 剪力墙结构设计的优化原则

除上文提到均匀分布、合理控制剪力墙数量等内容外，剪力墙长度很长时，需要用开设洞口的方式将其分作长度相等的几段。彼此间用弱连梁连接。分割后的墙段其截面高度与墙段总高度相比，其比值要小于二分之一，以防止剪力墙产生脆性的剪切破坏。设计抗震结构剪力墙时，要防止出现墙肢截面高度和厚度之比小于4、位于洞口与墙边之间或洞口之间的小墙肢，对于无法避免这种小墙肢出现的情况，就要按照框架柱的方式进行箍筋和全高加密处理。

4.2 剪力墙结构计算的优化原则

4.2.1 楼层的最大层间与层高之比的调整原则

按照有关规范要求，在对多地震作用的楼层最大层间位移进行计算时，主要以楼间弯曲变形为主，同时纳入扭转变形的因素，无须扣除结构整体弯曲变形。进行高层建筑设计，要尽量减小扭转变形，但不能单纯为了追求最小扭转变形而过大增加竖向构件的刚度。在实际结构设计中，有的设计师为了满足某一方向的层间位移的要求，就不断地增加该方向的侧向刚度，而忽视了对另一侧结构刚度的考虑。这种行为在架构的剪重比超出规范要求时就容易导致楼体安全缺陷。可以通过减小剪重比，控制地震作用来达到需要的效果。

4.2.2 楼层最小剪力系数的调整原则

如果短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩低于结构总底部地震倾覆力矩40%，就要以大开间剪力墙为布置方向，减少剪力墙的布置，从而使其结构满足侧向刚度和楼层最小剪力系数的要求，有效降低结构自身重量，减小地震作用的影响，缩减工程造价。

4.2.3 剪力墙连梁的调整原则

根据计算和实践检验，为保障剪力墙连梁满足规范对剪力和弯矩的要求，剪力墙连梁的跨高比要大于等于2.5。同时，规范还明确了跨高比大于5的连梁要按框架梁进行设计，设计时不予折减刚度。但对于跨高比5到6之间的剪力墙连梁，不折减刚度就会导致剪力或弯矩超限。因此，可以将跨高比不大于5的连梁通过减小剪力墙墙肢长度使之变为跨高比变为大于6的框架梁，而后者的钢筋以及混凝土用量一般小于前者，从而降低工程成本。

近年来，我国建筑业取得了突飞猛进的发展。高层建筑鳞次栉比。剪力墙的应用越发重要与广泛。设计人员要充分认识到剪力墙的重要作用，本着负责的态度，认真计算，科学设计，深入研究，勇于创新，不断推进结构设计优化，为保障建筑安全，提高建设水平，贡献自己的一份力量。

参考文献

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[2]刘庆.高层建筑剪力墙结构设计[J].科技讯，2011（31）：82-82.