建筑结构设计中剪力墙结构设计的应用

2021-12-07连云港市匠人工程设计院有限公司

门窗 2021年5期

陈杨连云港市匠人工程设计院有限公司

1 建筑结构设计中的剪力墙设计原则

1.1 楼层间最小剪力系数调整原则

在剪力墙结构设计阶段，为强化建筑结构的抗震性能，设计师必须严格遵循楼层间最小剪力系数调整的设计原则，参照GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》规范，开展结构抗震验算工作。根据验算结果，判断建筑底部结构总剪力是否满足实际要求，必要情况下，对各楼层的剪力加以调整，调整范围包括倾覆力矩、位移、内力等参数，树立全楼调整的设计思路。而调整楼层间最小剪力系数的设计措施为剪力墙大开间处理和控制剪力墙数量两项，通过对剪力墙采取大开间处理措施来提高墙体侧向刚度，进而实现控制楼层间最小剪力系数的设计目的，或是在保持短肢剪力墙承受建筑结构底部40%或50%以内总地震倾覆力矩的条件下变更剪力墙数量。

1.2 超限调整原则

在现代建筑工程中，对剪力墙结构的跨高比有着严格要求，如果所设定跨高比不合理，将以此为诱因导致剪力墙产生弯矩超限和剪力超限问题，在建筑结构遭受地震能量冲击容易出现滑移现象。因此，设计师应遵循超限调整设计原则，要求剪力墙跨高比不得小于2.5，如果实际跨高比未达到这一标准，则表明剪力墙结构存在弯矩、剪力超限问题。

同时，正确处理连梁刚度和跨高比二者关系，在保持连梁刚度值固定不变的条件下，尽可量将连梁跨高比值保持在5.0以内。而在连梁跨度比大于5时，设计师应选取框架梁设计方式，禁止采取折减连梁刚度的设计措施。

1.3 楼层间最大位移量与楼层高比例调整原则

在剪力墙结构形式中，采取调整竖向构件数量的方式来完成建筑剪切变形处理任务，剪力墙剪重比例和竖向构件数量二者保持紧密内在联系，如果竖向构件数量设定不当，将由此改变结构剪重比例，致使楼层间出现扭曲变形现象，没有满足楼层位移需要，此项设计方法缺乏合理性。针对于此，为突破传统设计方式的局限性，切实满足楼层位移需要，减小变量因素对其造成的影响，设计师在调整竖向构件数量与刚度的同时，还应结合工程情况准确验算建筑楼层间最大位移量以及楼层高二者的最佳比例，与竖向构件共同起到控制楼层扭转变形量的作用。

2 建筑结构设计中的剪力墙结构设计要点

2.1 剪力墙类型选择

近年来，随着理论基础和技术体系的日趋完善，陆续出现多种类型剪力墙结构，不同类型剪力墙的结构形式、墙体开洞情况、开洞尺寸和适用范围存在差异性，设计师需要结合建筑工程建设要求合理选择剪力墙类型，明确掌握各类型剪力墙结构的设计要点，常见剪力墙类型包括整截面墙、整体小开口墙、壁式框架剪力墙和多肢剪力墙四种。

首先，整截面墙是未在截面墙体上开洞或预设洞口尺寸较小的墙体结构，这类剪力墙与竖向悬臂构件的受力状态较为相似，具有良好承重性能。在墙体高宽比值超过一定标准时，设计师需要将受弯变形状态下的剪力墙体截面控制在平面状态。

其次，整体小开口墙是将洞口按成列状态布置，在墙体上开设适当尺寸孔洞的一种结构形式，这类剪力墙法向应力保持为偏直线分布状态，法向应力为墙肢局部弯矩应力以及整体弯矩直线分布应力的合值。在采取这类剪力墙时，设计师正确掌握少数楼层墙肢部位的反弯点形成规律，将开洞面积在墙体总面积、墙肢局部弯矩值在总弯矩值的占比均控制在15%以内。

再次，壁式框架剪力墙在墙体社预留较大尺寸孔洞，且具有墙肢宽度小、墙肢连梁刚度差值小特征的一种剪力墙，和框架结构的受力状态较为相似，设计师应掌握反弯点形成规律和法向应力分布状态，判断是否存在局部弯矩现象。

最后，联肢墙是在墙体上成列分布洞口，且洞口面积尺寸相对较大的一种剪力墙，墙体结构由连梁部件以及一定数量的单肢剪力墙组成，根据洞口列数分为双肢墙和多肢墙两种，这类墙体具有墙肢单独作用显著、连梁中心点分布反弯点、连梁刚度小的结构特征。

2.2 剪力墙数量设定

在设定剪力墙数量时，设计师应从承载力要求、抗侧刚度、所承受倾覆力矩等角度进行综合分析，结合建筑工程设计要求与建设条件来计算剪力墙最佳数量。例如，在一般施工条件下，要求所设置底层剪力墙实际承受的倾覆力矩在结构总倾覆力矩的50%以内。同时，在建筑工程采取框剪结构形式时，开展静力弹塑性以及动力时程分析作业，判断在设定不同数量剪力墙时的基底剪力系数，绘制配套的延性曲线，导入经验公式，根据公式计算结果来设定剪力墙数量。

也可选择依据楼面面积、场地条件、框架柱截面积、底层结构截面积等已知参数来直接估算剪力墙数量和面积。例如，在某建筑工程中，在7°Ⅱ类场地和8°Ⅲ类场地条件下，剪力墙截面面积与楼面面积比值分别为2%～3%和3%～4%，底层结构剪力墙以及框架柱截面积的合值与楼面面积比值分别为3%～5%与4%～6%。

2.3 剪力墙结构平面布置设计

在剪力墙平面布置设计环节，为强化建筑结构抗震性能，充分发挥剪力墙承受水平与竖向荷载的性能作用，需要遵循均匀对称布置、自上至下连续布置、连梁墙肢上下对齐成列布置等设计原则。

首先，将剪力墙沿建筑主轴方向保持双向对称状态进行布置，以此来形成具有良好抗侧力刚度和竖向荷载承载性能的平面布局。

其次，为避免出现侧向刚度过大和刚度突变问题，需要将墙体从上到下沿主轴方向连续性布置。同时要求墙体底部加强处洞口保持为上下对齐状态，重点检查平面布置方案中是否存在错洞问题，且墙肢混凝土强度等级与厚度值与墙体高度保持反比关系，墙体高度越大，则混凝土强度等级越低，墙体厚度越小。

再次，需要在建筑结构中上下对齐布置墙体门窗洞口，如果洞口排列不规整，将无法形成明确墙肢连梁。

最后，禁止在结构端部以及凹角等特殊位置处设置电梯间和楼梯间，避免在剪力墙结构中形成缩径现象，起到控制扭矩效应的设计作用。在结构平面外刚度与外承载力低于一定标准时，设计师应在楼面梁轴线方向中设置一定数量的剪力墙，对剪力墙和梁连接部位采取加设暗柱、加设型钢、加设伏壁柱等设计措施。

2.4 剪力墙厚度设计

在剪力墙厚度设计环节，结合工程情况，根据抗震等级与建筑层高来确定剪力墙厚度的标准范围，在GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》等规范文件中规定，在建筑结构达到I、II级抗震等级时，要求剪力墙体厚度值不得小于160mm 或少于建筑层高1/20，剪力墙底部加强部位的墙体厚度不得超过200mm，厚度值应大于建筑层高的1/16。而在建筑结构达到Ⅲ、Ⅳ级抗震等级时，要求剪力墙厚度不得小于140mm和少于建筑层高1/25，如果剪力墙厚度未得到规范标准，将会削弱建筑结构的抗震性能。

在特殊工程条件下，设计师需要采取概念设计分析法，综合分析墙体截面条件、建筑所处区域地震烈度、横墙朝外端头设计要求、是否设置外纵墙等因素，开展剪力墙稳定性以及强度验算工作，确定最佳的墙肢轴压比值，采取增设加强暗柱以及调整配筋率的设计措施，在取得良好剪力墙结构联结效果的前提下，放宽剪力墙厚度设计要求，适当减小剪力墙体厚度。

2.5 墙肢长度设计

在剪力墙肢长度设计环节，墙肢长度合理与否，直接影响到结构稳定性能以及外观造型结构是否协调，占据着重要的设计地位。参照我国同类建筑工程的设计方案与施工案例来看，在一般条件下，在结构中优先设置均匀长墙段，将墙肢长度保持在8m 内，如果墙肢长度超过这一标准，容易由此引发配筋拉断、形成受弯裂缝等质量通病。同时严格控制短肢墙数量和所占比例，必要情况下可选择设置短肢剪力墙，但会在部分楼层中形成大量的反弯点，且这类剪力墙的抗震性能较差，因此禁止采取全部为短肢剪力墙的结构形式。

2.6 连梁设计

在建筑剪力墙结构中，连梁为连结墙肢的梁体。根据实际施工情况来看，受到水平负荷因素影响，墙肢处于弯曲状态，致使连梁在端部形成转角，从而改变连梁内部受力状态，影响到建筑结构整体性能。针对于此，在连梁设计环节，设计师需要重视这一问题，采取折减连梁刚度、调整剪力墙体厚度、增加洞口宽度等设计措施。以折减连梁刚度措施为例，考虑到连梁内部受力状态受到跨高比、水平力、墙肢刚度等因素影响，易在屈服状态下形成梁端裂缝，而通过折减连梁刚度，可以起到改善连梁承受竖向荷载性能的作用，进而预防梁端裂缝的形成。

2.7 基于绿色建筑的剪力墙结构优化设计

为积极响应可持续发展战略号召，推动我国建筑业的健康发展，绿色建筑理念得到广泛应用，在多数现代建筑工程中，均树立起建筑结构节能减排设计理念，通过调整剪力墙结构设计方案，优化周期比、顶点位移、层间剪力、刚重比等设计参数，起到减少建筑结构体系碳排放量和节能环保的作用。因此，在设计阶段，需要基于绿色建筑开展剪力墙结构优化设计工作，主要优化设计途径包括保留刚度变化处剪力墙、增加结构边缘带翼缘剪力墙翼缘长度、设计工字形或T字形剪力墙墙肢、减小剪力墙体厚度与结构刚度、提高墙肢轴压比超限部位的混凝土钢筋材料强度。