建筑剪力墙结构设计问题

张志

摘要：剪力墙结构既可以保证结构安全可靠性，又可以使室内空间合理、墙面平整，所以高层建筑结构中越来越多地采用剪力墙结构。由于其具有优越的抗震性能和良好的承载能力，而得到了人们的广泛关注，这种结构尤其适用于高层建筑。本文就剪力墙的相关设计特点和设计原则进行分析。

关键词：剪力墙;高层建筑;结构设计

前  言

随着我国住房需求的不断增大，单位建设用地日益紧张，土地是不可再生资源，高层建筑便有很大的发展空间，对高层建筑结构设计的进一步深入探讨和研究，有着重要的现实意义。根据剪力墙的一般设计规则，为了满足多功能高层建筑体系的需要，在进行剪力墻结构设计时还需要遵守一些其他相应的原则。本文对剪力墙的设计提出了些许建议，以期被广大建筑行业人士采用。

一、高层建筑的结构设计特点及它的分类分析与研究

剪力墙结构是一种用钢筋混凝土的墙板代替传统框架结构之中的梁柱，以承受水平力和竖向力的结构。剪力墙的特点是其墙肢的长度远远大于墙肢厚度，其在水平面以内具有极大的承载力和刚度，在水平面以外，承载力和刚度相对较小。剪力墙的墙肢属于偏心受拉或受压构件。除此之外，剪力墙还可承受除弯矩和水平剪力以外的竖向力。在剪力、轴力和弯矩共同作用下，剪力墙的水平力就像一个悬臂深梁，其底部牢牢地固定于基础之上。剪力墙的特点主要有以下几个：1） 剪力墙承载能力优越，抗侧力能力强，通常用于高层建筑;2） 剪力墙充分利用空间，可以节约层高;3） 剪力墙结构的室内空间相比梁柱结构来说要宽敞简洁，但也有其缺点，那就是其建筑平面的设置不是很灵活，住户不能对室内的布局进行改造;4） 施工比较麻烦，造价也比较高;5） 其结构的自身重力大，可以吸收的地震能量大。

剪力墙由于其自身空洞的数量和大小有所不同，这些不同会导致剪力墙的内力分布、变形状态和受力特点产生不同。据此，通常可以将剪力墙氛围联肢墙、整体小开洞墙和整截面墙三大类。其中每一类都各具特点：1） 联肢墙：是指当剪力墙洞口呈现竖向成列的布置时，其洞口的面积会超过剪力墙总面积的16%，各个墙体之间由一些连梁进行连接。2） 整体小开洞墙：是指当剪力墙的洞口稍大，成列布置，上下对齐，形成了明显的连梁和墙肢，其刚度分布均匀。3） 整截面墙：是指剪力墙的洞口面积小于其墙体总面积的16%，或者不开洞口。如果开洞口，洞口的长边尺寸都小于洞口的净距和洞口到剪力墙墙边的净距。此时剪力墙的受力情况就像一个整体悬臂构件。

二、高层建筑剪力墙结构设计原则分析与研究

高层建筑的剪力墙结构在设计时，为了保证期安全性和高质量，通常有一些设计原则。在剪力墙的结构中，剪力墙最好沿主轴的方向，或者其他的方向进行双向布置。在抗震结构设计的剪力墙中，要避免仅仅在单向布置墙体的形式，这样可以保证剪力墙结构有比较好的空间性能。同时最好使两个受力的方向，在抗侧刚度方面要接近。另外，剪力墙结构的数量应适当，其布置要均匀。如果剪力墙布置地过少，那么其结构的抗侧刚度就会有欠缺;当剪力墙布置地过多时，其墙体又会得不到充分地利用，这样就会导致结构的抗侧刚度太大，进而导致地震力偏大，其结构的重量也会增加，这就会存在诸多的不利性。对于剪力墙的墙肢截面来说，最好按照规则、简单的原则进行设计。其门窗的洞口最好是成列布置并且上下对齐的，以形成非常明显的连梁和墙肢。在剪力墙的抗震设计方面，对于小于三级抗震能力的剪力墙来说，其底部的加强部位最好不要采用错洞墙的设计。除此之外还用保证剪力墙的布置是自下而上的连续性布置，以避免其刚度的突变，从而影响其安全性能。剪力墙在设计时，除了要要满足其位移的限值要求之外，还需保证框剪结构里，各抗侧力元件的作用要满足经济、安全、合理等要求。剪力墙的合理数量在设计时也是有原则的，即在满足设计规范的前提下，要尽量减少剪力墙的数量。此外，设计规范中还规定，剪力墙的框架部分，其承担的剪力必须大于等于剪力墙底部总作用力的20%，或者不小于各层框架所承受地震总剪力之中最大数值的1.5倍。对于剪力墙边缘构造和配筋结构、厚度等来说，还有其特殊的设计原则。1） 剪力墙边缘构造。结构试验的研究表明，矩形截面的剪力墙结构，其延性要比槽形或工字形截面的剪力墙结构差。计算分析的研究也表明，当增加剪力墙的墙肢截面翼缘时，也可以显著提高剪力墙的延性。因此在矩形墙的两端可以设置约束性的边缘构件，这样既可以显著提高整个墙体的延性，同时还可以避免剪力墙在水平方向发生剪切滑动，从而提高其抗剪切的能力。在 2002 年实施的建筑设计结构规范中，根据剪力墙的受力状况及其结构类型不同，可以将边缘构件分为构造边缘构件和约束边缘构件两大类。2） 剪力墙结构中的配筋问题和厚度。剪力墙中又水平和竖向两种配筋的布置方式，水平配筋在设计时，如果建筑物的特点是又高又长，那么应适当增加配筋的数量。竖向配筋的数量不宜过度，过多对抗震性能不利。

三、高层建筑剪力墙结构设计的一些建议

在对剪力墙结构进行设计时，结合笔者多年来的一些设计经验，提几条设计建议。1） 要注重转换层结构的设计。高层建筑的形式功能日渐多样化，其结构布置通常也会有许多变式，所以需要设置一些转换构件，以将上下结构进行连接。尤其是对于那些具有底部大空间的高位转换部分，在设计时尤其需要慎重。最好选择一些重量和刚度都比较小的转换构件。在设计计算式，最好多取机组振型数。最终确定哪些可能的软弱环节，以更好地对剪力墙结构进行改善。2） 合理设计剪力墙结构。对于那些层数比较小，例如低于 20 层的高层建筑，在剪力墙设计时可以设计成短肢的剪力墙结构。这对于减少建筑的建筑造价具有重要意义，同时还可以增加整个建筑的承重能力，从而提高其安全性和实用性。3） 有效利用短肢墙。在框支的剪力墙结构体系之中，其上部的剪力墙可以设置成短肢剪力墙结构。同样在此结构中，如果是为了减少剪力墙上下层之间的刚度比，最好将剪力墙上部的刚度减小（也即转而采用短肢的剪力墙结构），而不宜采用将剪力墙下层刚度增加的方法，这样可明显改善其经济效果。4） 不宜出现独立的小墙肢结构。在我国的 《高层建筑混凝土结构技术规程》中指出，“矩形截面独立墙肢的截面高度不宜小于截面宽度的5 倍。”在剪力墙结构设计之中，独立的小墙肢一般可通过设置合并洞口的方法来消除，也可以对剪力墙进行合理布置，以将小墙肢转换成墙体的翼缘。

四、结束语

因此 ，剪力墙的设计应该保证不发生剪切破坏 ，也就是要求墙肢和连梁的设计符合强剪弱弯的原则 ，同时要求连梁的屈服要早于墙肢的屈服 ，而且要求墙肢和连梁具有良好的延性。所以要注意结构设计中的问题，加大新技术的研究，这样建筑的结构设计就会更加安全、实用、可靠、经济。

参考文献

[1]高层建筑混凝土结构技术规程.JGJ3—2002.

[2]方鄂华.高层建筑钢筋混凝土结构概念设计[M].北京：机械工业出版社.2004.

[3]钟国华.高层建筑结构设计及某工程结构选型探讨[D].重庆大学硕士学位论文.2006.