建筑结构设计中的剪力墙结构设计

袁张雷

（广州市住宅建筑设计院有限公司山西分公司，山西 太原 030000）

伴随社会的高速发展，社会公众对建筑工程整体质量的要求也在逐步提高，为了满足社会公众逐步提升的需求，建筑行业一直积极探索新路径，先进建筑工艺与施工方式逐步应用至建筑建设过程中，在很大程度上提升建筑工程的整体质量，促进建筑行业的全面发展。剪力墙结构是近几年得到广泛应用的建筑结构设计形式，科学运用剪力墙结构，能有效提高建筑综合性能。但当前建筑行业内剪力墙结构设计尺寸以及安装的位置等还没有形成相应规范与标注，致使相关设计人员依据经验进行设计，导致不同建筑中剪力墙结构设计与安装存在差异性，同时也存在安全隐患。相关设计人员必须掌握剪力墙结构设计要点，确保剪力墙结构设计能达到建筑施工的要求。

1 剪力墙结构基本概述

1.1 剪力墙结构概念

剪力墙也可以称为结构墙或是抗震墙，是剪力墙体，与普通墙体相对比厚度小一些，但建筑施工规模更高，多数选取混凝土板的材料为建筑框架中的梁柱，主要用于承担外界的压力，为此，剪力墙整体的承受能力更强一些，与柱子受力能力相近，能有效掌控结构水平力。剪力墙结构是建筑的主要支持结构，承担的压力一般来自外界风力以及地震等环境因素引起的水平荷载。剪力墙能抵御外部因素产生的影响，提升建筑结构安全性与稳固性。与墙体开洞的情况相结合，能将剪力墙划分成双肢剪力墙以及多肢剪力墙等。

1.2 剪力墙结构优势

剪力墙结构的重要优势是具有美观性以及稳定性和经济性较高等特点。当中，1）稳定性较强主要来源剪力墙的刚度和承载力，能抵御外部产生的荷载，对水平荷载抵抗的作用更明显，为此，剪力墙结构设计能增强建筑整体稳定性，这是剪力墙结构具有的最佳优势；2）经济性高。剪力墙一般会选取混凝土浇筑的施工方式，能在确保剪力墙综合性能以及作用的前提下减少钢材用量，因此建筑施工成本投入的比较少，这是剪力墙结构得到广泛应用的优势；3）美观性。经济发展以及社会公众对生活质量追求变高的背景下对建筑施工要求发生转变，剪力墙结构能将建筑内部的隔墙以及承重墙相结合，尤其是隔断墙的设计，能余留更多建筑空间，从而提升使用功能，还能提升建筑整体的美观性。

1.3 剪力墙结构的类别

1）整截面墙的特点是墙面不存在洞口或者洞口比较小，整截面墙与传统悬臂结构在使用功能上也有相似之处；2）整体开口墙比较小，主体部分呈现是曲面的形式，门窗洞口比较大并且成列进行分布，截面法的向应力偏离直线的分布，可以看成整体弯矩的直线分布与墙肢局部的弯矩应力叠加。墙肢局部弯矩不会超过总体弯矩的百分之十五，并且墙体在多数楼层没有设置反弯点。将其应用至建筑中能有效缓冲建筑重量，建筑的稳固性能得到明显增强；3）双肢的剪力墙结构包含门窗开口的尺寸比较大的特征，且开口的数量比较多但均匀分布，开口的两端在抗压能力具有相同性，结构受力更均衡；4）壁式的框架结构，主要以传统框架结构作为基础，通过变形处理之后得出全新剪切型的结构，主要广泛应用于楼层的曲面部分，具有非常突出的反弯点，尺寸也比较大，能较好和建筑墙体进行衔接，以此构成紧密的结构体系。

2 剪力墙结构设计的要点与原则

2.1 剪力墙结构设计的要点

2.1.1 整体布局分析

整体布局设计是剪力墙结构设计的基础步骤，该步骤对后续工作的进行具有领导作用，合理的剪力墙布置方案能在很大程度上确保剪力墙结构应用的效果，确保剪力墙抗震能力与抗压能力。为此，在剪力墙结构设计的过程中，必须对建筑整体情况进行综合考虑，选取适合的剪力墙结构布局方式。总体来说，必须遵循对称性的基本原则，选取适合的剪力墙结构，使其能达到建筑结构设计的要求。另外，必须重视剪力墙细节处理，比如独立墙肢设置以及洞口处理等等。

2.1.2 计算原则分析

剪力墙结构是钢筋混凝土结构，在结构设计过程中必须对钢筋与混凝土型号选取问题进行考虑，发挥出施工材料性能优势。必须依据剪力墙结构类型选取合理的钢筋材料，并对材料的抗弯性能以及刚度进行综合分析，按照实际情况进行调整。对工程所在地区的地质情况进行考虑，科学评估抗震的等级，明确剪力墙结构配筋，选取混凝土强度的等级，对施工材料使用的方式进行核对，并进行优化，从而形成最优的施工材料使用方案。

2.1.3 参数确定

在剪力墙结构参数确定的过程中，必须对结构厚度以及宽度和长度进行综合考虑。1）将建筑设计的基本要求作为设计导向，以剪力墙结构能正常使用为目标，选取适合的剪力墙结构类型，明确相对应的性能参数，不仅要确保不同参数数值的科学性，还要达到数值之间不冲突的效果，进而防止建筑脆性较大的问题；2）从建筑的美学角度对参数进行综合分析，在许可的范围之内进行优化，提升建筑墙面分布均匀性，确保建筑整体结构具有较强的美观性，以此达到使用业主对建筑美观性提出的要求。

2.2 剪力墙结构设计原则

2.2.1 对剪力墙高度以及宽度进行控制

建筑结构设计中的剪力墙结构具有非常重要的作用，对建筑物具有支撑作用，并且能对不同荷载起到抵挡作用，不但支撑作用比较好，且抗震能力也较强。剪力墙主要包含墙肢与连梁，在剪力墙结构设计的过程中必须对剪力墙高度以及宽度进行控制，剪力墙结构的形状类似板状物，高度较高但厚度比较小，因为剪力墙对不同荷载予以承受，为此，在剪力墙结构设计过程中，必须严格把握剪力墙高度以及厚度比例，比值在三以内，参考柱体结构对剪力墙进行设计，比值在三至五之间，必须依据双向受压的结构设计原则进行设计，以此满足剪力墙性能要求。

2.2.2 防止剪力墙和平面外梁相连接

剪力墙结构是承载平面内承载力，对平面外产生的承载力都是比较差的。因此在剪力墙结构中，若是和平面外梁连接就容易发生墙肢向外弯矩的现象，为防止外墙向外弯曲，对剪力墙结构设计的过程中必须注意不能与平面外梁相连接，但假如剪力墙与平面外梁相连接时，对剪力墙结构设计时就会涉及到保护措施，如果剪力墙与平面外梁出现问题时，也能得到较好的处理与解决。

2.2.3 综合分析剪力墙承载作用力

剪力墙存在的作用是对承受建筑中不同的荷载，为此，对剪力墙结构设计的过程中，要对剪力墙承受的不同作用进行综合分析，进而确保剪力墙结构性能达到建筑使用标准。对剪力墙结构进行设计时，必须对承受水平以及垂直方向产生的作用力进行精确分析，并对安全性进行判断与验证，对墙体斜截面承载力也需要进行分析与判断，同时验证剪力墙的稳定性，并对墙体集中承受的压力极限进行详细分析，确保剪力墙结构的科学性以及稳固性。

3 建筑结构中剪力墙结构的具体应用

3.1 基础方案以及承重构件设计

剪力墙结构设计方案必须以建筑施工现场水文情况以及地质情况与工程建设要求等各种因素作为基础标准进行综合确认，保证剪力墙结构设计的方案能达到建筑建设的要求，还能和建筑周围的环境和谐共存。相关设计人员必须与建筑施工环境以及规范要求相结合科学规划剪力墙承重的构件，确保建筑的主体结构的稳固性符合相关标准。必须将墙体配筋率当作剪力墙承重构件设计的重点，在剪力墙结构设计的过程中，相关设计人员必须正确认识基础方案具有的重要性，控制承重构件设计以及优化，与自身设计经验与建筑工程不同参数相结合明确施工工艺的参数与建筑施工标准，规避由于结构设计不具合理性存在的安全隐患，完成设计之后必须进行严格验证，保证结构设计方案的合理性与可行性。

3.2 剪力墙结构设计

剪力墙结构必须采取双向设计，使剪力墙墙体的内部可以形成空间结构，特别是抗震防御区，在开展双向设计过程中，尽可能将两个方向刚度保持相同。剪力墙结构设计过程中尽可能保持平面均匀分布，刚度中心能接近建筑结构的中心，在一定程度上降低扭转效应，如果刚度中心和建筑中心偏离的程度比较高，在条件允许的情况下通过对墙肢长度以及连梁高度进行调整，从而对刚度中心位置进行合理调整。因为剪力墙存在比较强的抗侧刚性，建筑结构的自振周期比较短，承受水平的地震作用比较大，从而对建筑结构整体性能产生影响。为了降低水平地震剪力对结构产生的影响，可以减少墙体的厚度，在建筑主次结构的设计过程中增加墙体之间的间距，降低墙体总数等一些方式减少建筑结构整体的自重，增加建筑结构抗侧的刚度。剪力墙结构中比较明显的优势是具有比较好的承载能力以及平面刚度，但建筑结构平面外承载力与刚度比较弱，如果在结构设计中将平面方向梁和剪力墙相连接，会使墙肢平面的外弯矩产生增加，为了改善这种现象，在建筑楼面截面较小的条件下采取半刚接设计方式对墙肢平面的外弯矩进行调整。

3.3 大墙肢的科学处理

对剪力墙结构进行设计的过程中，必须综合考虑剪力墙存在的延伸性，如果没有对墙肢进行合理处理，会对剪力墙稳固性以及耐久度产生直接影响。在确保剪力墙结构达到建筑承载要求的基础上，采取封层间隔设计的形式将长度较长的剪力墙结构进行划分成独立的墙段，提升剪力墙的稳定性，规避建筑在建设完成投入使用之后由于外力作用对剪力墙的整体结构产生损坏，如果想要实现这个目的必须在建筑施工的过程中对长度比较长的剪力墙中进行开孔，简单来说，就是将长墙肢转换成短墙肢，建筑施工完毕之后对开设空洞进行封堵。此外，还能利用调整配筋数量提升长度比较小的剪力墙承载的能力，在对剪力墙进行设计时适当地留洞，以此调整墙肢配筋的数量。

3.4 剪力墙厚度管控与配筋设计

3.4.1 剪力墙厚度设计

依据我国相关规定的要求，如果建筑工程抗震的等级为一级或是二级，剪力墙底部位置厚度必须大于200mm，同时必须大于层高的1/16，剪力墙其他结构的厚度不可以小于160mm，如果剪力墙的端头没有涉及到翼墙，则需要大于层高的1/12。但相关规定不是所有建筑类型都适用，假如在高层结构设计或是多层结构设计时，如果建筑的层数在5～15层之内，这种条件下剪力墙重力荷载的轴压比不能小于0.2，如果依据相关规定进行计算，剪力墙底部功能要求是3.9m层高，墙体的厚度为240mm。如果发生这种情况，设计人员必须与自身的设计经验相结合，进行概念设计分析，对墙肢的轴压比进行重新规划，并对剪力墙墙体的截面强度进行验算，合理设置配筋率，在保证剪力墙的综合性能达到要求条件下，降低墙体的厚度。

3.4.2 墙体配筋率的设计

我国明确规定，在建筑结构设计的抗震不同级别的剪力墙结构时，水平与竖直方向最小的配筋率不能太小，多数框支剪力墙的底部位置的配筋率不能小于0.3%。这个要求在长度比较长或是高度比较高的剪力墙中应用能有效提升建筑结构的稳固性，但在低矮的剪力墙中应用必须确定配筋率的合理性。

3.5 连梁设计及优化

连梁具有承担连接墙肢的作用，墙肢会在较大水平的负荷作用下出现弯折情况，从而影响连梁平直度，会对剪力墙整体结构的稳固性产生破坏。通过对墙柱受力情况进行改善能避免墙肢弯折，为此，连梁设计的科学性在很大程度上对剪力墙结构整体的性能产生影响。连梁不是所有的剪力墙中的必要结构，但对带有连梁的剪力墙而言，如果建筑结构设计不具合理性，会对建筑整体的质量产生影响，因此，在对连梁进行设计时，必须对以下几点内容予以重视：1）减弱连梁的刚度，连梁的跨高比较低，与相连墙肢的刚度比较大，在产生水平的应力时会使连梁承受比较大的内力作用，从而导致连梁出现裂缝或是损坏，因此在结构设计时必须合理减弱连梁刚度，如果设防的烈度比较小，能适当的降低减弱量，如果设防的烈度比较大则可以适当地增加；2）增加剪力墙洞口的宽度，在降低连梁高度同时增加剪力墙洞口的宽度，能有效降低连梁的刚度，提升建筑结构抗震性能；3）与现实建筑结构设计情况相结合增加剪力墙的厚度。

3.6 合理确定剪力墙结构边缘构件

剪力墙布置完成后合理确定剪力墙边缘构件显得尤为重要。设置剪力墙边缘构件目的是为了增加墙体的延性，增大耗能能力，从而进一步降低其他结构构件的抗震需求。剪力墙边缘构件一般指的是剪力墙中的暗柱或者端柱，暗柱一般位于墙肢平面的端部、转角以及剪力墙开较大洞口后洞口两边位置。在剪力墙中设置边缘构件，既可提高墙体的承载力，又能提高墙体的延性。

4 结语

总的来说，在当今的社会经济环境下，我国城市化的不断建设，可供使用的土地资源面积越来越小，住宅建筑工程的建设多以高层建筑为主，但这样的建筑工程对整体结构的稳固性具有更高的要求，必须对建筑结构设计进行全面考量。剪力墙结构因为自身具有的优势特点，在高层建筑结构的设计中得到广泛应用，在结构设计时，必须对结构设计要点以及设计内容进行科学规划，使剪力墙结构能在建筑结构中得到较好应用，以此确保建筑结构整体质量。