剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用分析

程江勇

关键字：剪力墙结构；建筑结构设计；应用

以高层或超高层建筑为代表的现代建筑在利用城市上下垂直立体空间、缓解城市土地利用压力、满足城市居民的工作与生活需求方面发挥着重要作用，是城市建设、尤其是特大型或大型城市建设中必不可少的建筑类型。现代建筑普遍具有体型大、功能多、结构复杂、形式多样等特点，对建筑结构设计的抗震性能、安全性能、稳定性能要求较高，建筑内各结构的有机衔接与高度适配可以切实提高超高层建筑的施工质量与建筑安全性[1]。

剪力墙结构是现代建筑结构设计中的关键结构类型，其利用钢筋混凝土取代传统建筑结构中的梁柱，依托钢筋混凝土板与混凝土墙面实现用力传递。在建筑遭受地震纵横波或强劲风力侵袭时，剪力墙可有效负荷各种负载造成的内力，提高建筑的整体安全性。因此，现代建筑结构设计中，应精准掌握剪力墙结构的分类与适用条件，科学沿用剪力墙结构设计的基本原则，并合理、有效地将剪力墙结构应用在建筑结构设计中，切实降低建筑结构施工成本，提高建筑结构的稳定性与安全性。

1 剪力墙的作用与分类

1.1 剪力墙的作用

剪力墙，又称为抗震墙、抗风墙，顾名思义其在应对地震或强风侵袭时具有良好的力学荷载性能。剪力墙通过钢筋与混凝土将墙体与楼板紧密整合形成完整且坚固的受力整体，并通过钢筋混凝土板与混凝土墙之间的用力传递有效负荷各类地震或强风给建筑物带来的水平方向与垂直方向的负载，提高建筑结构的稳定性与安全性[2]。

传统框架结构中梁与柱的分离导致墙体顶面与框架梁底存在缝隙，影响框架结构的整体性，使得框架结构无法传递上部荷载，影响建筑结构的载荷能力与安全性能。剪力墙结构则是利用钢筋混凝土将墙体与楼板整体浇筑，从而具备了框架结构所缺失的整体简洁性、空间作用与抗侧力能力。在抗侧力方面，剪力墙通过墙体与楼板之间的用力传递提高建筑物对水平方向压力与竖直方向重力的负载能力，以良好的侧向刚度减少强风或地震条件下建筑物的水平侧移或倾斜。但剪力墙结构也存在一定的局限性或不足，例如，剪力墙结构的空间布置限制条件或要求较高，空间分配与使用存在诸多制约因素。同时，由于墙体与楼板的整体性浇筑使剪力墙结构的重量较大，影响了建筑结构的灵活性。

1.2 剪力墙的分类

相较于框架结构、混合结构，剪力墙结构因其良好的抗震性能与安全性能可广泛应用于建筑结构设计与施工中。剪力墙类型众多，常规的可根据其开洞面积大小分为实体墙、小开口整体墙、连肢剪力墙、壁式框架剪力墙等。

实体墙是指剪力墙中未开设门窗洞口或所开设的门窗洞口面积较小（小于剪力墙整体面积的15%）的类型，实体墙中门窗洞口的开设几乎可以忽略，使墙体形成一个有机的整体[3]。小开口整体墙是指剪力墙中有一定数量或面积的开口（门窗洞口面积小于剪力墙整体面积的15%），其门窗洞口的位置、大小等均有设计标准作为依据，与实体墙不同之处在于，小开口整体墙在受力作用下易出现局部弯矩。连肢剪力墙是指剪力墙中门窗洞口开设数量较多、面积较大的类型，其可视为小开口整体墙在整个剪力墙面上的排列组合，使洞口在剪力墙墙体上均匀、列状分布，受力均衡性使连肢剪力墙在受力作用下不易出现局部弯矩[4]。壁式框架剪力墙是指剪力墙中门窗洞口开设尺寸很大的类型，壁式框架剪力墙以墙肢作为核心建筑结构的支撑要素，其受力特征类似于框架结构，如在水平作用力下，壁式框架剪力墙会出现剪切型的侧向弯曲变形。

在建筑结构设计时，应根据建筑设计目标合理设计剪力墙结构设计方案，选择适宜的剪力墙类型，科学测算剪力墙结构的尺寸、轴压比、最小剪力系数等，以提高剪力墙的设计与施工质量。

2 剪力墙结构设计的基本原则

剪力墙结构的基本构成包括墙肢与连梁，通过对墙肢与连梁的整体性浇筑，提高剪力墙结构的刚度、抗震性与稳定性。剪力墙结构设计对空间布置的要求较高，应根据施工现场空间布局以及设计要求合理选择剪力墙类型，确保剪力墙的几何效果与使用效果得以兼备。

2.1 科学设计墙体受力

剪力墙结构依托钢筋混凝土板与混凝土墙面实现用力传递，是建筑结构设计中的重要支撑性构件。在设计剪力墙结构时，需对墙体受力情况进行科学、精准的设计与测算，充分考虑剪力墙在强风、地震纵横波等外力作用下的负载情况，综合剪力墙所承受的水平压力、竖直重力以及弯矩剪力分析剪力墙的具体受力特征。同时，剪力墙的受力设计应通过剪力墙模拟量化分析其在反复循环过程中墙体的延展性，通过良好的墙体延展性提高剪力墙的抗震性能。基于此，应合理设计剪力墙结构的尺寸、轴压比等重要参数，并选用适宜的钢筋与混凝土材料，切实保证剪力墙的刚度以及在外力作用下的稳定性与安全性[5]。

2.2 关注平面内搭接

剪力墙结构设计的空间布局限制性对剪力墙的几何效果与几何特征提出了较高的要求，位于同一平面的剪力墙结构所承受的外力荷载更大，因此在剪力墙结构设计时应充分考虑同一平面中剪力墙的刚度要求，以切实提高平面中剪力墙的负载能力。鉴于平面之外的墙体、梁等承载力要求不高，在剪力墙与上述构件连接时，需要关注平面内剪力墙与其他构件的搭接，以符合设计标准的剪力墙刚度确保平面内搭接的稳定性与坚固性，切实提高剪力墙结构的力学性能以及建筑物的安全性能，以免因搭接应力保护不到位而出现建筑安全事故。

2.3 调整最小剪力系数

剪力墙结构虽然可以提高建筑的稳固性与抗震性，提高建筑的使用安全性，但剪力墙采用钢筋混凝土浇筑而成，其自重较大，使建筑物的重量也相应增加。在设计与使用剪力墙结构时，应全面统筹、综合权衡、科学设计。例如，在墙体受力设计时应充分考虑水平压力与剪力以及剪力墙的竖直重力，以便剪力墙建立良好的应力作用。剪力墙结构设计应注重对最小剪力系数的调整与优化，从建筑物自身重量以及建筑物抗震性能两个方面确定最小剪力系数，以有限的剪力墙数量提高剪力墙的侧向刚度。同时合理减轻建筑物的自重，减少钢筋混凝土等施工材料的使用，降低剪力墙结构施工成本[6]。

3 剪力墙结构在建筑结构设计中的应用

3.1 定位剪力墙结构

剪力墙结构是建筑结构设计中的重要构成，考虑到剪力墙结构的几何特征、受力特征等对空间布局的限制，需科学、合理地根据建筑现场空间布局定位剪力墙结构。

首先，按照剪力墙结构设计简单与方便的原则，对剪力墙的平面结构进行布置与设计，通过模拟与测算分析剪力墙的质量中心与刚度中心，并根据上述中心的定位分析出剪力墙的结构与实际性能，确保同一平面上的剪力墙具有较高的刚度与稳固性能，提高同一平面中剪力墙的载荷能力。

其次，根据建筑所在地的地形地貌、地质条件、气候条件等自然环境因素合理设计剪力墙结构所受外力，充分了解建筑荷载并调整剪力墙的最小剪力系数。如果剪力墙的平面结构不规则，设计人员应在剪力墙结构设计方案中合理设置温度伸缩缝，增强剪力墙的抗扭效果。

最后，考虑到墙体本身的自重以及地震纵波等对外力因素的影响，应对剪力墙的垂直受力构件进行科学设计，可在剪力墙转换梁上壁与中柱等部位设置门洞，以免构件在转换传力过程中无法有效传递上部荷载以及下部的振动波，造成剪力墙结构稳固性不足。

3.2 大墙肢的处理

剪力墙结构具有一定的延展性，可以通过良好的墙体延展性提高剪力墙的抗震性能，这是剪力墙结构区别于框架结构与混合结构的重要优势。在剪力墙结构应用过程中，设计人员应充分发挥剪力墙结构的延展性优势，对剪力墙的肢体与柱形进行模型模拟与优化设计，通过调整肢体长度与厚度之间的比值提高剪力墙的刚度与性能。

尤其在城市的高层建筑中，如果肢体长度与厚度的比值设计不合理，将会导致高层建筑在受力作用下出现不同程度的偏移，影响高层建筑结构的稳固性。因此，在剪力墙结构设计时，应利用模型模拟不同参数下的剪力墙结构以及相应的墙肢承载力，选择最优的剪力墙结构参数，以提高剪力墙的刚度与性能。同时，在具体施工时，也可通过留洞测试对剪力墙的负载能力进行测试，并根据测试结果对留洞进行适当填充，有效处理剪力墙的大墙肢。

3.3 墙体配筋的控制

剪力墙结构利用钢筋混凝土取代传统建筑结构中的梁柱，依托钢筋混凝土板与混凝土墙面实现用力传递。配筋是剪力墙结构中的重要构成，剪力墙的配筋不仅会影响墙体的承载力、稳固性以及建筑的安全性，还会影响剪力墙的施工成本与经济效益。因此，在设计墙体配筋时，应综合考量剪力墙的支撑力、刚度、强度、稳固性等性能，科学设计配筋率，尽可能降低剪力墙结构施工的实际成本，切实保障剪力墙的稳定性与施工企业的经济效益。

3.4 边缘构件的确定

边缘构件是剪力墙结构中特有的构件，其设置在剪力墙的边缘部位，用于改善剪力墙的受力性能，提高剪力墙的稳固性。边缘构件主要包括有约束与无约束两种，无约束边缘构件应用到剪力墙结构可以使建筑的承载力更具优势，但剪力墙结构的稳固性与抗震性能却有所不足。根据实验分析，无约束边缘构件会导致剪力墙的楼梯间位移角度出现偏差，使得其抗震性能仅为有约束边缘构件的80%，极限承载力仅为有约束边缘构件的60%。因此，在设计剪力墙结构时，应综合考虑剪力墙的轴压比大小与等级，根据建筑结构设计的要求确定适宜的边缘构件，有效兼顾建筑结构的抗震性能与承载力。

3.5 其他注意事项

3.5.1 加强基础方案设计

基础方案设计是剪力墙结构设计与应用的重要基础，在剪力墙结构设计之前，建筑结构设计人员应对施工现场进行认真、详细地勘察，全面掌握施工现场的地质环境、地形地貌、气候水文等基本自然环境，可全面且直观地指导超高层建筑结构设计过程，优化调整建筑结构的空间规划，提高剪力墙结构设计的合理性与科学性。

3.5.2 完善承重构件设计

设计人员需根据结构设计的相关指标与标准规范对建筑物的主体结构进行优化设计，将剪力墙结构应用在建筑中，对支撑构件、工艺参数等进行科学选配与优化调整，确保剪力墙设计质量。例如，可将建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术应用到剪力墙结构设计中，对剪力墙各构件进行三维建模后，利用结构分析方法检测各构件的空间结构交叉状况，帮助设计人员提前规避构件不匹配问题，实现剪力墙结构设计的高质量技术交底。同时，依托BIM 技术的结构计算分析模型，结合剪力墙的几何结构、材料等测算出剪力墙结构的荷载，以便合理利用预应力技术，量化测算灌浆量，将预应力筋的伸长值控制在一定阈值范围内。

3.5.3 优化剪力墙结构设计

在剪力墙结构设计过程中，剪力墙通常需沿着主轴方向双向布置，以便剪力墙形成一定的空间结构。针对剪力墙平面与竖直布置过程过于单一、剪力墙刚度不足的问题，应科学设计与测算剪力墙的防震性能，通过调整剪力墙在主轴方向双向的受力方向刚度，确保剪力墙结构的抗震性能符合设计要求。同时，剪力墙结构应具有较大的承载力与抗侧刚度，设计人员在竖向布置剪力墙时，应沿着房屋高度进行通高布置、上下对齐，确保剪力墙在竖向方向上的刚度得到弱化，避免剪力墙竖向刚度出现突变的情况，满足现代建筑结构的刚度与性能要求。

如果建筑设计中墙体的长度较长，需在剪力墙中开设洞口，将剪力墙分割为长度大致相当的多个墙面，再利用弱梁将分割好的各个墙面进行关联，每个独立墙段的总高度与截面高度应按照一定的比例分配，避免因剪力而出现脆性剪切。同时，在剪力墙结构设计时，应避免形成墙肢，保证剪力墙的刚度与性能。

4 结语

剪力墙结构在建筑工程中应用广泛。设计剪力墙结构时，应根据建筑工程的实际情况，确保剪力墙结构方案既符合设计指标标准，又能满足经济要求，为建筑工程的结构设计质量提供基础保障。由于剪力墙所用的施工材料为钢筋混凝土，限制了空间的分配与使用，且设计与施工难度较高、材料耗费多，因此，剪力墙结构设计应严格遵循相关技术标准与规范，在布置过程中依照主轴方向双向布置，提高剪力墙结构的空间工作性能。同时，在设计剪力墙结构时，设计人员应提高对墙体抗风、抗震等各项内容的重视程度，确保剪力墙结构设计的合理性，保证剪力墙的刚度与性能。