剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用分析

2021-03-31李长武兰州新现代建筑设计有限公司甘肃兰州730000

砖瓦 2021年6期

李长武（兰州新现代建筑设计有限公司，甘肃兰州 730000）

随着社会的进步与发展，人们对建筑工程的质量要求不断提升，为满足不断提升的社会需求，建筑行业内一直在积极的探索创新路径，多种先进的建筑工艺和施工方法被不断应用到建筑的建造过程中，在一定程度上提高了建筑工程的建筑质量，推动了建筑行业的综合发展。剪力墙结构就是近年来获得广泛应用的一种建筑结构设计，通过科学的应用剪力墙结构，能大幅提升建筑的综合性能。但目前行业内关于剪力墙结构设计的尺寸、安装位置等尚未形成统一的规范和标注，主要依靠设计人员的经验展开设计，使得不同建筑中剪力墙结构的设计和安装都存在一定差异性，也可能存在一些安全隐患。设计人员应充分掌握剪力墙结构的设计要点，保证剪力墙结构设计能满足建筑的建设要求。

1 建筑结构设计中剪力墙结构的设计原则

剪力墙结构具有经济性高、美观程度好、刚度大、承载力强等诸多优点，能有效提高建筑结构对水平荷载的抵抗能力，使建筑结构整体的稳定性得到有效提升。但是由于目前国家和行业内并没有针对剪力墙结构的设计形成统一的规范和标准，因此，设计人员在设计剪力墙结构时，应遵循以下设计原则：

1.1 拉通对直

在设计建筑结构时，应注意保持将上下楼层剪力墙结构中的门窗和洞口保持垂直方向对直，合理规划结构的传力途径，保证剪力墙结构具有良好的抗震性能。同时，应沿轴线将剪力墙结构拉通对直，避免因出现重叠或错洞现象影响整体结构的综合性能。

1.2 双向布置原则

将剪力墙结构沿着结构的纵、横两个方向铺设，能进一步提高整体结构的抗震性能，保证剪力墙结构具有双侧抗侧力，还应尽量控制纵横两个方向产生的侧刚度数值相近，使二者自振周期接近。

1.3 竖向贯穿

科学的剪力墙结构应沿竖直方向从上至下贯穿整个结构，若剪力墙结构在竖直方向上发生结构的变化，则墙体的刚度和厚度也可能一起发生变化，影响建筑结构的整体抗震性能，此时，可通过调整剪力墙单元刚度的方式提高结构对侧刚度的抵抗能力，规避因刚度突变对结构的抗震性能产生的负面影响。

1.4 洞口宜上下对齐、成列布置

孔洞会对剪力墙结构的承载力及刚度造成一定的影响，但当剪力墙结构整片长度较长时，墙体需要承载的负荷过大，通过合理的开口能有效分摊负荷，用弱梁连接洞口，同时将墙肢长度控制在8m之内[1]。

1.5 与建筑高度适配

剪力墙结构根据孔口设计的不同分为实体剪力墙、小开口剪力墙、联肢剪力墙、壁式框架剪力墙等类型，应根据建筑的实际情况科学的选择不同的剪力墙结构，使其技能与建筑的高度适配，又能满足建筑的受力需求，少数类型的剪力墙结构不宜在建筑中大面积应用，可能会导致建筑结构受力不均。

1.6 降低墙肢的平面外弯矩

降低墙肢平面外弯矩的方法较多，如提高壁柱数量、增加竖直墙体数量、增加配筋率等，可结合实际条件灵活地选择。

2 建筑结构设计中剪力墙结构设计的应用

2.1 基础方案及承重构件的设计

剪力墙结构的设计方案应以施工现场的水文地质情况、周边建筑分布情况、工程的建设要求等多种要素为基准综合确认，确保剪力墙结构的设计方案既能满足建设要求，又能与周围环节和谐共生。设计人员应结合建筑施工环境、相关标准的要求等合理规划剪力墙的承重构件，保证建筑主体结构的稳定性合格。应将墙体配筋率作为剪力墙承重构件设计的关注重点，水平和竖直方向的配筋率不应低于0.25%，少数框支剪力墙结构底部加强位置的配筋率应不少于0.3%。在剪力墙结构的设计过程中，设计人员应积极认识基础方案的重要性，重点控制承重构件的设计及优化，结合自身设计经验和工程的各项参数科学确定工艺参数及建设标准，避免因设计不合理为结构带来的安全隐患，完成设计后应多方验证，确保设计方案的科学性和可行性。

2.2 剪力墙结构的设计

剪力墙结构需要采用双向设计，使墙体内部形成空间结构，尤其是抗震防御区，在进行双向设计的过程中尽量将来自两个方向的刚度保持一致[2]。剪力墙结构的设计中尽量保持其平面均匀分布，刚度中心接近建筑结构整体的中心，最大化减少扭转效应，若刚度中心与建筑中心的偏离程度较高，可在条件允许的情况下通过调整墙肢长度和连梁的高度对刚度中心位置进行调整。由于剪力墙具有较强的抗侧刚性，结构自振周期较短，承受的水平地震作用较大，可能影响结构的整体性能。为减少水平地震剪力对建筑结构的影响，可通过减少墙体厚度，在主次结构设计中增大墙体间距，减少墙体总数等方式降低结构整体自重，增加结构的抗侧移刚度。剪力墙结构最显著的优势就是具较好的承载能力和平面刚度，但平面外承载力和刚度却相对较弱，若在设计中直接将平面外方向梁与剪力墙相连，可能会使墙肢平面外弯矩增大，为改善此种情况，在楼面截面不大的条件下，可采用半刚接的设计方案调整墙肢平面外弯矩。

2.3 大墙肢处理

在进行剪力墙结构的设计过程中，应充分考虑其具有的延伸性，若未能对其进行科学的处理，可能会影响剪力墙结构的稳定性和耐久度[3]。在保证剪力墙结构满足建筑承载要求的前提下，可采用封层间隔的设计形式将长度较大的剪力墙结构划分成一定数量的独立墙段，提高其稳定性，避免建筑在投入使用后因外力的作用对剪力墙结构整体造成破坏，若想实现该目的可在施工过程中在长度较长的剪力墙结构中适当开孔，即是将长墙肢转化为短墙肢，施工结束后对开设的空洞进行必要的封堵。另外，还可通过调整配筋数量提高长度较小的剪力墙结构的承载能力，可在设计剪力墙结构时适当留洞，以适当调整墙肢的配筋数量。

2.4 剪力墙厚度的控制与配筋

一般情况下，剪力墙的高度和宽度数值较大，但厚度较小，受力特点与柱形结构相似，主要存在高厚比的差异性，若高厚比小于4，可借鉴柱的设计方法对剪力墙结构进行时设计；若高厚比约等于4，可借鉴异形柱的设计方法设计双向受压结构。

2.4.1 剪力墙结构厚度设计

根据国家的相关规定要求，若建筑工程的抗震等级是一级或二级，则剪力墙底部加强部位的厚度应大于200mm，并且应大于层高的1/16，剪力墙的其他结构厚度不能小于160mm；若剪力墙端头未涉及翼墙，则应大于层高的1/12[4]。但是相关规定并不适用于所有建筑结构，如在设计低高层或多层建筑结构时，若建筑层数在5~15以内，该种情况下的剪力墙肢在重力荷载代表值下，轴压比多小于0.2，若按照规定计算，底部功能要求3.9m层高，墙体厚度至少为240mm。若出现此种情况，设计人员应结合自身设计经验，通过概念设计分析，重新规划墙肢轴压比，验算剪力墙墙体截面的强度，科学设置配筋率，在确保剪力墙综合性能符合建筑要求的情况下，减少墙体厚度。

2.4.2 墙体配筋率设计

国家明确规定，在设计抗震等级为一、二、三级的剪力墙结构时，水平和竖直方向的最小配筋率不应小于0.25%，部分框支剪力墙底部加强位置配筋率不应小于0.3%。该要求在长度较大或高度较高的剪力墙结构中应用能显著提高结构的稳定性，但是在低矮剪力墙结构中应用时应反复确认配筋率的科学性。

2.5 连梁的设计与优化

连梁主要承担连接墙肢的作用，墙肢会在强大的水平负荷作用下发生弯折现象，进而影响连梁的平直度，破坏墙肢整体结构的稳定性[5]。通过改善墙肢的受力情况能有效规避墙肢的弯折，因此，连梁设计的合理性也会在一定程度上影响剪力墙结构的整体性能。

连梁并不是所有剪力墙中的必要结构，但对设有连梁的剪力墙来说，若设计合理性不足，则势必会对连梁的承载力造成一定的影响，甚至会造成截面与设计不符的情况。所以，在设计连梁的过程中应重点关注以下内容：①折减连梁刚度[6]，连梁跨高较低，与其相连的墙肢刚度较大，在产生水平应力时会使连梁承受较大内力作用，进而引发连梁裂缝或破损，所以在设计时应科学折减连梁的刚度，若设防裂度较小，可适当减少折减量，若设防裂度较大可适当增加折减，但应控制折减系数在0.5以上；②增加洞口宽度，在降低连梁高度的同时增加洞口宽度，能显著减少连梁刚度，提高结构的抗震性能；③结合实际情况增加剪力墙厚度。