建筑结构设计中短肢剪力墙的技术要点研究

文／赵裕赓 甘肃省城乡规划设计研究院有限公司 甘肃兰州 730030

引言：

施工技术体系的不断成熟，使建筑工程的施工规模和施工高度也在不断增大，在高层建筑工程施工过程中，经常会使用到短肢剪力墙这一结构，通过整理短肢剪力墙在应用中需要注意的相关内容，可以积累有价值的应用数据，这对于提升建筑结构设计安全性和耐久性有着积极的促进作用。

1、高层建筑的特点

基于以往应用经验可以得知，高层建筑在应用中具有以下特点：（1）高层建筑的地上层数较多，可以缩减建筑内部竖向与横向的交通距离，同时可以容纳更多人员，如办公高层写字楼可以让商业活动的密集度更高，提高相关活动的开展效率。（2）所占用建筑用地面积较小，高层建筑是指层数不低于30层，或总高度不低于100m的建筑，相比于传统的多层建筑，高层建筑竖向空间利用率更高，但占地面积较小，在的土地存量背景下可以减少建设用地使用量，为其他产业发展提供土地支持。（3）目前高层建筑工程已经形成了比较稳定的施工体系，而且建筑工程施工过程中，所需要投入的综合成本、施工工期较短，可以创造出更高的经济效益。

2、高层建筑结构分析的基本假定

在高层建筑结构分析活动中，常用的基本假定如下：（1）弹性假定。在垂直荷载或一般风力作用下，结构通常处于弹性工作阶段，这一假定基本符合结构的实际工作状况。但是在遭受地震或强台风作用时，往往会产生较大的位移，进入到弹塑性工作阶段。（2）小变形假定。小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。但有不少人对几何非线性问题（P-Δ效应）进行了一些研究。一般认为，当顶点水平位移Δ与建筑物高度H的比值Δ/ H＞1/500时，P-Δ效应的影响便不能忽视，需采取措施进行整合，以提高分析结果的合理性。（3）刚性楼板假定，在高层建筑结构此项性能的分析中，会假设自身平面内的刚度处于无限大状态，而平面外刚度处于忽略不计的状态，以此来完成其他参数的假定分析工作。但是针对一些存在竖向刚度突变的结构，则需要考虑结构剪力参数变化情况，以提高分析结果的准确性与合理性。（4）计算图形假定，目前在高层建筑计算图形的分析中，共包含了一维协同分析、二维协同分析和三维空间分析，以三维协同分析为例，在分析时普通杆结构单元的每个节点都包含6个自由度，对于存在翘曲的截面，在分析时则考虑7个自由度。

3、短肢剪力墙结构体系的现状

3.1 基本内容

一般情况下，短肢剪力墙是指截面厚度大于0.3m、墙体横截面高度与其厚度比重处于4～8的墙体结构。在高层建筑工程的施工中，此类结构的使用较多，但是并不能将其作为全部墙体结构，需要和其他结构搭配在一起进行使用，以提高整个结构应用结果的稳固性。在短肢剪力墙具体应用中，会将梁体结构作为主要的关联结构，以此来形成一个应用整体，达到预期的承载要求。目前常用的短肢剪力墙结构为T形、L形等（如图1所示），在具体的选择中也会结合高层建筑层数、建筑使用性质、设计方案等内容来进行选择，以此来提高整个结构的稳定性，减少资源浪费的情况。

图1 T形（左侧）和L形（右侧）短肢剪力墙结构示意图

3.2 布置原则

进行短肢剪力墙布置时，应遵循以下应用原则：（1）对于整个高层建筑结构的纵向交通中心，需要适当增加短肢剪力墙结构数量，以此作为整个纵向交通中心的重要受力区域，以此来分流纵向上的墙体压力。（2）虽然短肢剪力墙在使用中具有良好的应用优势，但是在具体应用中需要做好数量控制，在确保高层建筑结构稳固性的基础上，充分发挥出短肢剪力墙的支撑作用，降低过多使用短肢剪力墙带来的成本增加问题。（3）在结构的应用布局上，需要做好结构的均匀化布置，基于结构刚度布置目标合理布局短肢剪力墙，中间也可以搭配若干长肢剪力墙，以提高结构应用后的呈现效果。第四，在短肢剪力墙布置上，需要保持相邻结构的平行性，并且在方向上也需要进行对齐，以此来提高整个抗力结构的平整性与稳固性。

3.3 应用优势

在短肢剪力墙结构的应用中，具有以下应用优势：（1）结构的总重量较轻，相比于其他的支撑结构，短肢剪力墙的体积较小，质量较轻，这样也可以降低高层建筑的整体荷载，有利于结构抗震性能的提升。（2）结构总长度较小，不同于长肢剪力墙，短肢剪力墙的长度在800～2000mm，宽度在180～250mm，在应用中具有更高的灵活性，设计人员可以根据实际情况对参数进行调整，以提高结构应用结果的可靠性。（3）具有良好的延展性，基于高层建筑的应用特点，其大长度与宽度可以更好地满足结构要求，以提升结构应用结果的合理性。（4）结构隐蔽性强，此类结构在实际应用中，可以在不影响建筑工程功能性的同时，确保整个结构的平稳性。而且此类结构的隐蔽性较强，能够增加房屋内部的实际使用面积，提升建筑空间的使用率。

4、短肢剪力墙结构的应用实例

工程概况：该高层建筑为民用建筑，地上共有35层，地下有3层，并且在建筑设计中使用到较多数量的短肢剪力墙结构，抗震烈度为7°，为了满足这一建筑设计目标，在该工程项目的设计中，会使用到三级剪力墙，外部抗震框架为二级结构，建筑工程的主体结构使用现浇工艺进行制作，剪力墙的厚度为200mm，长度在800～1800mm之间，整个建筑工程的形状为矩形，以满足相应的使用要求。

4.1 结构计算分析

在结构计算分析活动中需要结合实际情况来选择恰当的计算软件，并确定最为合适的计算分析方法，以此来建立相应的数学计算模型，在模型中也会对各项参数进行合理化计算，从而得到更加准确的计算结果。并且在结构计算中也需要做好概念性设计，以提升数据计算结果的合理性，在短肢剪力墙的应用中，所使用到的结构会利用三维组元分析法来参与设计，以此来得到更加准确与可靠的计算结果，为后续分析活动的展开奠定基础。

4.2 力学参数设计

在对短肢剪力墙结构进行设计时，需做好力学参数设计，以提升整个设计结构的稳定性。该建筑工程在施工中使用到了L型和T型的短肢剪力墙，在力学参数设计中应注意以下内容：（1）短肢剪力墙在设计中，需要对结构竖向荷载、风荷载、水平地震作用等参数进行计算，依托于得到的计算结果来调整力学结构，并且在计算活动中也需要进行结构偏心力、扭曲力、剪切力等参数计算，根据计算结果来调整结构扭曲参数，确保宏观结构的稳固性。（2）基于结构刚度与长度成正比这一数学关系，结合该工程项目的应用特点，可以对墙体长度参数进行合理化设计，借此来确保整个墙体结构受力性能可以保持最大值，过程中需要做好合理选择原材料的相关工作，以此来防止资金成本支出过量的情况。（3）在该工程的部分位置也会使用到异形墙，在正式应用前也需要基于实际情况来合理化设计各项参数，以提高整个结构设计结果的合理性。

4.3 结构参数合理化设计

在该工程短肢剪力墙结构设计中，也需要做好各项结构参数的合理化设计，在具体实践中也需要注意以下内容：（1）计算水平地震作用力状态下结构的剪重比，具体的计算公式如下：K≥C∑G，式中Ki表示在水平地震作用下在节点i上产生的剪力值；C表示剪力系数，n表示结构中的节点总数；G表示在高层建筑第a层所产生的重力荷载数值。参考相应规范来判断该工程剪力值参数的合理性，对于不合理内容及时做出调整，以此来确保该结构的稳定性。计算短肢剪力墙刚重比，通常情况下该数值超过1.4才可以满足高层建筑工程作业要求。代入公式后计算可得，该工程项目的短肢剪力墙刚重比为1.46，满足系数超过1.4的要求，表示所设置短肢剪力墙结构满足应用要求。计算轴压比，该参数是指前高层建筑墙体和柱结构的轴力预设值和墙体、柱结构截面面积的抗压强度设计值乘积，此数值能够直观反映出墙体和柱结构的受压状态，基于该数值来调整结构延性参数，以达到预期的设计效果。位移比计算，是指地震作用下结构的位移参数，在仿真实验中结构的最大位移量为2.33cm，满足规范要求，具有良好的应用价值。

4.4 配筋结构合理化设计

在对配筋结构展开优化设计时，所遵循的布筋规范如图2所示，在具体的设计过程中，也需注意以下内容：（1）结合该工程项目的应用特征，其约束边缘构件的配箍特征值应高出框架柱一级，而轴压比数值控制在0.3以内，以此来提高该建筑边缘构件的稳固性，确保其参数的合理性。（2）在短肢剪力墙截面高度的设计中，会将其数值控制在1200mm-2000mm，对于边缘构件的长度该工程统一选择450mm的规格，而配筋设计参考图2中所示内容，确保最小配筋率参数的合规性。对于此次设计中的加强部位，纵向上的配筋率为1.3%，其他部位为1.1%，以确保整个结构加固结果的可靠性。（3）在短肢剪力墙水平方向上进行布筋时，为提升整个结构的稳固性，工程选用双排布筋的方式，水平筋位于外部、竖向筋位于内部，拉结筋会呈现梅花形进行布置，相邻间距控制在350mm，以此来确保整个应用结构的稳固性。另外，在竖筋的布置过程中，每一根竖筋都需要使用拉筋进行连接处理，使整个结构处于稳固的状态。

图2 配筋结构设计要求

4.5 结构抗震性能设计

在该工程短肢剪力墙设计活动中，也需要做好抗震性能设计，具体应用中需要确保结构受力过程的均匀性，防止结构在地震力作用下出现局部形变问题。在具体的设计活动中，具体包括以下几方面：（1）需要控制好短肢剪力墙底部倾覆力矩设计，该工程的清理倾覆力数值为总倾覆力矩的 45%，满足相应的设计要求。搭配相应的配筋率，提高整个结构的抗震性能。（2）该高层建筑中抗震等级为一、二级的短肢剪力墙结构，其加强位置的厚度值为250mm，而其中一字形结构，底部加强位置厚度设计值为230mm，使整个结构关联在一起，可以形成稳固的抗震结构。该高层建筑中抗震等级为三、四级的短肢剪力墙结构，其加强位置的厚度值为200mm，底部加强位置厚度设计值为230mm，使整个结构关联在一起，具备良好的稳定性；该高层建筑中不存在抗震等级的短肢剪力墙结构，其加强位置的厚度值为170mm，使这个结构均具有良好的稳定性。（3）对于高层建筑中抗震等级为一级的短肢剪力墙，其轴压比控制在0.43左右；抗震等级为二级的短肢剪力墙，其轴压比控制在0.45左右；抗震等级为三级和四级的短肢剪力墙，其轴压比控制在0.47左右；无抗震等级要求的短肢剪力墙，其轴压比控制在0.50左右，以满足结构抗震性要求。

4.6 连梁结构合理化设计

除上述提到的设计内容外，在应用中还需要做好连梁结构设计，连梁的主要作用连接短肢剪力墙，梁结构跨度和高度之间的比值控制在4.5左右，使其可以具备良好的稳定性。同时在设计活动中也需要注意以下内容：（1）对连梁结构的正截面承载力、连梁弯矩的合理化设计，折减值控制在20%左右，随后做好配筋参数的合理化设计，并利用以下的公式进行验算：K≤1/C·F·S （H-h），式中K表示结构弯矩的设计值；C表示结构抗震调整系数；F表示钢筋结构的抗拉设计数值；S表示钢筋结构的总截面面积；H表示连梁截面的有效高度；h表示连梁截面受压区的有效高度。（2）计算连梁截面应用规格，在具体的计算过程中所使用到的计算公式如下：V≤0.25α·F·b·H，式中V0表示调整后的设计值；b0表示连梁截面的宽度值；α表示混凝土强度影响系数。将相关数值代入后，可以得到相应的评估数值，并且对最小和最大配筋率进行合理化设计，以提高数据处理结果的合理性与可靠性。

5、短肢剪力墙结构的设计建议

5.1 完善墙体设计结构

完善墙体设计结构，可以提升整个结构的稳定性，充分发挥短肢剪力墙结构的应用价值。在具体实践中，需要对现场施工情况进行整理，并以此来完成布局方案的优化处理，过程中也需要遵循相应的设计原则，明确剪力墙设计高度和抗震能力之间的关联性。通常情况下，墙体结构的设计高度越低，剪力墙结构的抗震性能也越高。而且在具体的设计活动中，也需要基于建筑规范、楼层要求来确定最为合理的结构设计高度，同时在设计时也需要控制好墙体设计间距，结构也需要和外部纵向轴线保持对应关系，以提高整个建筑结构的横向性能。另外，在实际的设计活动中，也需要遵循“强剪弱弯”原则，优化各项设计参数，以此来确保结构承载力稳定性，提高建筑外界因素的抗干扰性能。

5.2 合理布置弯曲结构

合理布置弯曲结构，能够更好地保护地震环境下的墙体结构，确保建筑抗力与载荷的稳定性。综合考虑高层建筑的应用特征，在短肢剪力墙的应用中会优选弯曲形态来进行设计，以提升建筑墙体结构的延伸性，提升结构的抗震效果。通常情况下，墙体结构的设计弧度会控制在15°以下，并且基于建筑规范、楼层要求来合理布局短肢剪力墙布局，做好纵向与横向轴线的相对关系，以提升建筑结构的稳定性。除此之外，在高层建筑的设计活动中，也需要在合适位置布置足够数量的抗震设备，搭配相应的抗震预防措施，能够提升整个建筑结构的抗震性能，同时也可以降低地震作用下带来的经济损失，提高建筑外界因素的抗干扰性能。

5.3 严格遵循程序计算

严格遵循程序计算，能够减少结构应用过程中各项成本支出，确保建筑工程结构的施工质量。在高层建筑设计活动中，需要依托计算程序来合理计算工程中所用短肢剪力墙的数量、长度、厚度等，搭配合理化的短肢剪力墙设计布局，在确保工程建设质量的同时，降低建筑工程施工成本支出。目前在计算活动中所使用的计算程序包括TBSA 薄壁杆系模型程序、 CTBA 墙元模型等，根据实际情况选择相匹配的计算程序，以此来得到准确的数据计算结果，为后续工作的展开奠定基础。需要注意的是，对于所计算的相关参数，也需要做好参数记录工作，这样也可以积累有价值的应用数据，为短肢剪力墙施工体系的完善提供良好参考。

5.4 缩短短肢剪力墙施工周期

缩短短肢剪力墙施工周期，可以不断提升结构的抗震性能，提高整个结构的稳固性。在具体设计中需要关注结构柔软度、刚度耦合量等内容，同时基于“强剪弱弯”核心理念，来对各项参数进行优化设计，以满足相应的设计要求。例如，在该工程的施工中，短肢剪力墙结构的变形情况主要集中在墙肢底部，此时根据竖向荷载作用来对此问题进行分析，最后借助小墙肢和转角墙肢等结构来增强薄弱位置，起到减少短肢剪力墙扭曲变形的作用。

结语：

综上所述，完善墙体设计结构，可以提升整个结构的稳定性，合理布置弯曲结构，能够更好地保护地震环境下的墙体结构，严格遵循程序计算，能够减少结构应用过程中各项成本支出，缩短短肢剪力墙施工周期，可以不断提升结构的抗震性能。通过整理高层建筑短肢剪力墙设计经验，并提出相应的优化建议，对于提高短肢剪力墙结构应用价值，提高整个高层建筑稳固性有着积极作用。