建筑剪力墙结构设计优化策略研究

2020-03-06李青春

工程建设与设计 2020年21期

李青春

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，兰州 730000）

1 引言

随着现代工程技术的发展和对建筑模式的多样性需求，建筑物的种类、风格、高层和形式愈发多样和复杂，不同结构形式建筑物的受力情况、结构承重不同，特殊外力作用下，建筑物的构件易受到损害，乃至影响整个建筑的整体性安全，建筑剪力墙结构的应用，为建筑的发展提供了重要的技术支撑，多种结构形式的建筑物受力不均问题得到了有效解决，为有效发挥建筑剪力墙结构在工程建筑中的抗震、抗压作用，对剪力墙结构的优化设计具有一定的必要性和现实意义。

2 建筑剪力墙结构总体认识

2.1 建筑剪力墙结构概述

一般来讲，建筑剪力墙结构是由多重横、纵钢筋混凝土墙及楼盖所构筑的空间结构，其墙体具备抵抗外界风力荷载及地震引发的水平荷载和竖向荷载的作用，从其功能作用的一般意义讲，建筑剪力墙又称为抗震墙【1】。在现代建筑工程中，建筑剪力墙是高层建筑的常用结构形式，由于建筑剪力墙的作用，其自身平面内的刚度大、强度高，受水平作用力影响弱，墙体侧移不易发生。因其具备抗风、抗震的作用，被广泛应用于高层建筑结构建设中。在现实建筑构造中，建筑剪力墙多采用现浇或预制件组装的形式，以钢筋混凝土的形式进行剪力墙浇筑，与梁、柱结构一同浇筑，以保障剪力墙的强度和稳定性。

2.2 建筑剪力墙结构的特点

剪力墙是建筑物或构筑物结构的主要承载构件，同时，在建筑物构建中扮演着分割墙和围护墙的角色，因此，墙体的布置与分配必须同时满足建筑平面布置和结构布置的双重需求。剪力墙结构具有突出的承载能力、整体性和空间作用，与一般的框架结构相比，在抗侧力方面性能更佳，因此，多用于中高层建筑结构体系中。剪力墙结构的突出特点在于其侧向刚度大，水平荷载对其的侧移影响小，但其也存在一定的结构缺陷，剪力墙间的间距受到一定的空间限制，在大空间建筑结构形式中的抗力作用无法体现。因其结构自重大、灵活性低等特点适用于住宅、公寓、旅馆等一般建筑物中。剪力墙结构的楼盖结构一般以平板的形式存在，可不设梁结构，相对空间利用比较好，在一定程度上可节约层高。

2.3 剪力墙结构的受力特点

剪力墙结构承受水平和纵向的双重荷载，但其主体作用在于承受平行于墙体结构的水平荷载。剪力墙结构内外的刚度大小差异突出，平面内部的刚度大，外部刚度小，形成鲜明的反差。在剪力墙结构侧向稳定中，楼盖的支撑作用不可忽略。在水平荷载作用下，墙体如同1 根底部嵌固于基础顶面的直立悬臂深梁，墙体属于压、弯、剪复合受力状态【2】。

3 建筑剪力墙结构优化设计的初步思路

建筑剪力墙结构的优化设计分析应基于当前建筑工程现状，整理初步优化思路，指导建筑工程建设，从而实现结构优化思路的深化拓展。

3.1 基于工程需要，设置墙宽、墙高，体现受力情况

建筑剪力墙的设计与施工是否规范、合理，重点在基于工程现状下剪力墙宽、高的设置。基于以往建筑工程建设案例，剪力墙容易出现墙面大、厚度小的情况，且时有发生，此种情形下的剪力墙结构会出现受力不均，影响整体结构的完整性和安全性。为确保构件厚度与肢长符合相应构筑标准和规范，施工时，剪力墙应与柱结构进行分离和区别。在不同的施工规范下规范化施工。如构件厚度与肢体比小于3 时，应以柱的标准规范设计；构件厚度与肢体比大于3 时，应按剪力墙的标准来进行设计规划。只有基于遵从指导性规范的前提下，进行剪力墙优化设计的思路编排，才能使剪力墙的优化设计得到保障。同时，因剪力墙受到水平和竖向双重作用力的影响，在剪力墙设计思路的指定中应全面分析考虑不同力对剪力墙的作用。由于剪力与弯矩的双重影响，剪力墙所要承受的力超出了一定的范围，故其应具备一定的延续性。

3.2 基于受力的科学计算，优化剪力墙结构设计

剪力墙结构的设计应综合分析水平荷载和竖向荷载的双重作用，在科学计算受力大小的前提下进行剪力墙优化设计，以确保剪力墙承受荷载和压力控制在有效的范围内，符合建筑工程的安全性建设标准。在剪力墙结构设计过程中，应明确分析剪力墙与宽度的数量关系和楼层间的最小剪力系数。从工程建筑剪力墙设计的相关规范来看，设计剪力墙应在降低其自重基础上，同时确保剪力墙的抗震、抗风能力。基于一般剪力墙抗侧刚度比较小，在剪力墙设计中，应布置一定量的大长度剪力墙，或以电梯间大刚度内筒的形式来弥补短肢剪力墙的抗侧刚度不足的缺陷。科学化的剪力墙设计既保障了整体结构的稳定，又提升了建筑的抗震效果。总体而言，剪力墙设计的结构应基于现实情况，在承受荷载的科学计算下，进行剪力墙结构的优化设计。这些只是剪力墙结构优化设计的一般思路，还应基于工程建筑建设进行深入探究。

4 建筑剪力墙结构优化设计的具体策略

建筑剪力墙结构优化设计的初步思路整体上明确了剪力墙优化设计的方向，但如何进行优化设计还需要具体的策略性探讨。

4.1 具体分析建筑剪力墙结构尺寸数据及外形要求

建筑剪力墙结构优化设计的基础在于对其尺寸数据和外形要求的合理把握。不同建筑、不同结构形式中剪力墙结构的形式、建设要求不同，故其设计也会存在诸多差异，剪力墙结构在横向和竖向所承受荷载压力、荷载分布及整体刚度因此也会有所不同。为了保障剪力墙所受荷载的均匀传递，其设计应满足剪力墙肢截面高度8 倍于其厚度值的规范要求。剪力墙结构外形与其稳定性有着必然的联系。对剪力墙结构的优化设计，可以从外形的角度使其更具合理性。一般设计中常采用T 型或L 型，这2 种结构很大程度上减轻了墙体自重、缩小了自身体积，侧向刚度也得到了较大幅度的提升，有效降低了施工成本。

4.2 剪力墙结构中边缘构件的优化设计

剪力墙结构的优化设计是多层面、多角度的。结构尺寸及外形优化设计仅是其中的一个层面，同样对剪力墙结构的边缘构件进行优化也能达到建筑剪力墙结构优化设计的效果。具体体现在以下2 个方面。

1）构造边缘构件的约束，在规定范围内，明确其墙肢长度和箍筋配筋的特征值。

2）剪力墙边缘构件的约束。约束对象主要是暗柱、端柱和翼墙。对相关搭建结构的约束是为了确保剪力墙的刚度，避免层间位移。对于剪力墙边缘构件的优化设计，应基于建设的规范要求，合理增大边缘构件如暗柱、端柱的截面尺寸。

4.3 剪力墙结构中连梁及大墙肢的优化设计

剪力墙连梁是其关联墙肢间起连接作用的梁结构，在墙肢受到极限压时，会产生形变或超筋破坏，甚至影响到整个建筑的稳定性和安全性。对剪力墙连梁进行优化，能够最大限度地缩减连梁受损。在有效范围内降低剪力墙连梁高度是优化设计的一种，另外一种是规范控制剪力墙结构的塑性和增强连梁的抗震强度。对剪力墙结构延展性进行优化也是优化设计的一个部分，基于剪力墙的高宽比，规划剪力墙的外形形状。基于剪力墙的高度，采用均匀分段和开洞技术，有效控制，使剪力墙结构的受损程度降低【3】。