剪力墙结构在建筑结构设计中的应用分析

刘依宁 江西省建筑设计研究总院集团有限公司工程师

随着我国建筑工程项目规模的不断扩大，人们对于建筑设计的安全给予了更多的关注和重视。在建筑设计的过程中，剪力墙结构可以很好地保证建筑整体结构的稳定性和耐久性，从而在很大程度上满足人们的应用需求。剪力墙结构的形式较为多样，可以适用于不同的地质环境和建筑结构需求，并且通过灵活运用、合理选材，能够保证整体设计的科学性和质量。特别是在一些地震、台风等自然灾害频发的地区，剪力墙结构的应用能够在很大程度上减小不同方向作用力的影响，提升整个建筑的强度。相较于传统的建筑结构形式，剪力墙结构更具优势，因此加强其在建筑结构设计中的应用有着非常重要的作用和意义。

1 剪力墙结构

剪力墙在实际应用的过程中是一种结构墙体，也可以作为抗震墙使用。这种墙体的厚度相对较小，使用规模更大，具有较强的承载力[1]。剪力墙结构在现代建筑中的应用，进一步提升了建筑的整体支撑效果和抗压效果，对保证建筑本身的安全性和稳定性有着非常重要的作用。

为了能够达到良好的使用效果并且满足建筑设计的基本需求，在剪力墙使用的过程中需要在墙体设计一定的洞口，但是这样反而会影响其本身的承载能力。在实际情况中，根据剪力墙洞口设计的不同可以将其分为几个不同的种类。首先是实体剪力墙。这种类型的墙主要是指在剪力墙上没有设置洞口，通常稳定性和承载力非常强。其次是整体小开口剪力墙。该类型的剪力墙在使用的过程中墙体上会存在孔洞，但孔洞的面积并不大，通常不会超过整个结构的15%。虽然洞口较小，但也会在一定程度上影响剪力墙结构的整体稳定性和承载力，在使用过程中可能会导致连梁处出现反弯的情况。再次是连肢剪力墙结构。该类型的剪力墙通常会在墙体上设置较大的洞口，对整体结构产生的影响较大，很难保证剪力墙具有较高的承载力，在一定程度上影响剪力墙结构的承压效果。最后是壁式框架剪力墙结构。相较于连肢剪力墙结构来说，该类型的剪力墙结构在墙体上存在较大的洞口，会影响剪力墙结构的整体承载力，使得设计效果不佳。

2 剪力墙结构的优缺点

剪力墙结构在应用的过程中有很多优点。首先，能够花费较小的成本提升墙体结构的整体质量、强化墙体功能、减少设计以及施工的成本。其次，剪力墙本身具有较好的刚度和承载力，能够承受各种负荷，对提升建筑的整体稳定性和安全性有较强的促进作用。最后，剪力墙结构的应用不仅能够重新对建筑中的承重墙和分隔墙等进行组合，而且能够有效拓宽建筑的内部空间，让外部空间看上去更加美观。

然而剪力墙结构并不是只有优点，其自身也存在一定的缺点。一是遇到外力的时候很容易在力的作用下产生形变。二是其应用会在一定程度上增加重量，导致建筑的整体重量增加。三是承载力有待进一步提升。四是虽然成本较低，可以有效节约资源，但延续性也会在一定程度上受到影响。

3 剪力墙结构设计的应用

3.1 基础方案及平面布置

在剪力墙基础方案及承重构件设计的过程中，需要综合考虑建筑周边的地质条件、水文条件、建筑群分布情况以及施工工艺等来进行剪力墙结构的综合设计，进一步提升基础方案设计的可行性。剪力墙是一个平面性的墙体，所以平面布置非常重要。一方面，通过双向布置设计的方式进一步提升剪力墙的承重和抗力效果，对提升空间的利用率以及企业的经济效益等方面都有着重要的作用。在墙体布置的过程中，需要始终坚持对称性原则，不仅要满足建筑墙体的承重要求，而且要符合审美需求。另一方面，剪力墙的中心要与整个建筑内部空间的轴线保持一致，并且要保证其均匀性，以便能够有效分散剪力作用。对于高度较高或是面积较大的建筑结构来说，剪力墙的墙肢长度要保证合理并且使其形成一连串的联肢墙，这样有利于提升墙体的整体稳定性，从而保证平面布局的合理性[2]。

3.2 剪力墙结构设计

剪力墙结构设计的整体质量会对整个建筑结构的质量产生直接影响。通常情况下，剪力墙结构设计的方式和刚度等必须要能够满足空间结构以及抗震防御的需求。在设计的过程中，需要保证刚度中心与建筑中心一致，减少扭转效应对整个建筑结构稳定性的影响，并且根据实际情况改变墙肢长度、连梁高度，以此来保证刚度中心位置与建筑中心重叠[3]。除此之外，由于其自身的特性，整体性能较好，相较于传统的墙体来说能够承受更大的水平地震作用。在具体设计的过程中，相关设计人员应通过多种方式来对剪力墙结构的抗侧刚度、承载力等进行全方面优化，比如降低纵横墙体的厚度、根据工程实际情况适当增加墙体之间的距离、减少墙体使用的数量等，进而对剪力墙结构的性能进行优化与提升。

3.3 剪力墙厚度与配筋

合理控制剪力墙的厚度以及配筋能够进一步提升整体应用效果。在剪力墙结构厚度设计的过程中，要根据建筑抗震需求以及相关规范中的要求进行合理设计。但是部分规定在面对多层或是高层建筑结构设计的时候并不能完全适用。如果建筑结构对于空间有一定的要求而不能设计外纵墙、翼墙等，则墙体的厚度需要达到320 mm 的最低值，同时进行合理计算和分析，保证墙肢轴压比满足工程的实际需求。对于墙体配筋率的设计应当遵循我国相关规范中各项条款所规定的内容，如《混凝土结构设计规范》中明确规定，如果抗震的等级为123 级，那么在剪力墙结构设计的过程中，其墙体的配筋率不得低于0.25%，加强部位的配筋率应在0.3%及以上[4]。此外，设计人员在进行配筋的过程中需要根据剪力墙的压力进行合理计算，并且以结果为基础适当增加钢筋的用量，以满足剪力墙结构的建设需求，但需要考虑到剪力墙本身的形状和厚度，如果盲目增加钢筋的用量，会导致墙体自重过大。

3.4 大墙肢处理

剪力墙结构本身具有一定的延伸性，在设计的过程中需要考虑这一特性对墙体整体承载力、安全稳定性以及耐久性的影响。为了有效降低负面影响，在设计的过程中如果使用到较长的剪力墙，那么需要先保证这部分墙体自身的承载力能够满足工程的实际需求。同时，为了提高墙体的整体承载力，设计人员可以考虑将剪力墙结构划分为数量众多的独立墙段。如果使用较短的剪力墙，那么就需要通过配筋的合理设计来提高墙体的整体承载力和强度。而为了保证剪力墙结构的整体质量，施工前需要对剪力墙进行开洞，并在施工完成后再将洞口砌填。

3.5 连梁设计

在剪力墙结构设计的过程中，连梁的设计有着非常重要的意义和价值。对于存在连梁的剪力墙来说，通常会受到跨度与截面大小等各方面因素的影响，如果在此方面的设计不尽合理，则会直接影响连梁的承载性能，导致截面和设计不一致，从而影响剪力墙的整体承载效果。因此，在连梁设计的过程中，设计人员通常需要掌握以下要点。

3.5.1 适当折减连梁的刚度

为保证剪力墙结构的性能，在计算时要根据工程的实际需求适当折减连梁的刚度，并且以设防烈度为基准来进行或多或少的折减。但是在整个折减的过程中要保证折减系数的合理性，避免连梁本身的承载力受到较大影响[5]。

3.5.2 适当提高洞口的宽度

根据工程的实际情况来适当拓宽洞口的宽度，能够达到有效且适度降低连梁本身刚度的目的。并且由于连梁结构刚度的适当降低能够提升其对于地震波的抵抗力，因此对提高剪力墙结构的稳固性有着非常重要的作用。

3.5.3 适当提升剪力墙的厚度

在剪力墙厚度设计的过程中，适当增加剪力墙的厚度等同于增加了连梁截面的宽度。连梁截面的宽度越大，其承载力就越高，二者之间成正比例关系。但是加大剪力墙的厚度很可能会导致连梁抗剪承载力超限而影响整体结构的承载力，因此设计人员需要根据实际情况进行适当优化与解决，以便能够保障充分发挥剪力墙结构的稳固性优势。

3.6 边缘构件设计

在剪力墙结构设计的过程中，边缘构件是非常重要的内容。通常情况下，施工中会用到约束性边缘构件和无约束能力的边缘构件，相对于后者来说，前者在承载力上要更强，几乎可以达到40%。实际设计的过程中，需要根据工程的实际情况来选择合适的边缘构件种类。通常情况下，如果实际轴压比大于可不设约束边缘构件的最大轴压比，那么可以选择约束性边缘结构构件；而如果实际轴压比小于可不设约束边缘构件的最大轴压比，则选择构造类的边缘构件。

4 案例分析

某高层住宅共30 层，其中3 层为地下室，作为车库以及设备用房；首层为架空层，层高为6.3 m；二层以上是住宅层，层高为3.2 m。在该工程中，二层设置的梁板是结构转换层，安全等级为二级，地震设防烈度为7 度，建筑物的抗震类别为丙类。

4.1 转换层结构布置

现阶段，转换层结构布置通常有厚板转换层、巨型梁转换层、巨型桁架转换层等不同的结构形式。在工程实施的过程中，转换梁的形式较为常见，该方式受力明确且施工便捷，因此被广泛应用于各种剪力墙结构中。本工程中使用了巨型梁转换层结构形式。受到建筑周边环境与地形的影响，地下室的一个侧面并没有全部埋在地面以下，所以出于安全考虑，建筑物的计算高度从负三层地面标高算起。工程是B 级高度，为了能够有效提升整体结构的承载力和延展性，并且控制好形变与耗能，本工程考虑使用型钢混凝土结构来作底部框支梁与框支柱。

4.2 标准层结构布置

在标准层墙柱布置过程中，设计人员应当尽量保持结构的刚度中心与建筑的质量中心重合，这样能够有效降低扭转效应对整个建筑的影响。当建筑物本身的平面形状变化凹凸较大的时候，在凸出端附近要布置一定数量的剪力墙，并且增加边角部位剪力墙的刚度，以便能够控制位移并且提高整体抗震性能。在本工程中，布置剪力墙的时候，纵横剪力墙设计呈现出L 型或T 形的状态，保证横纵两个方向上剪力墙的刚度基本一致。整个剪力墙结构自上而下所使用的混凝土强度由C45 逐渐变成C30，剪力墙的厚度从300 mm 逐渐变成200 mm。在角窗位置设置高为1 200 mm 的梁，适当提升地震作用下整个结构的抗扭能力。

4.3 结构构件设计

在本工程中，结构构件的设计主要体现在以下几方面。首先，框支柱方面。本工程的框支柱抗震等级设置为一级，其轴压比不得大于0.6。对于部分短柱来说，其轴压比设置不得大于0.5，配筋率不得小于1.5%，并且保证箍筋全长加密。这样可以避免脆性剪切破坏，改善整个剪力墙结构的抗震性能。其次，框支梁方面。在本工程中，框支梁的宽度设置为500～1 000 mm，其受力巨大且情况较为复杂。框支梁结构不仅是上下层荷载的传输枢纽，同时也是保证整个剪力墙抗震性能的关键部位，因此在设计的过程中设计人员会预留出较多的安全储备。在本工程中的框支梁配筋率不小于0.5%，并且配备了足够数量的腰筋，此外整个框支梁的设计始终坚持“强剪弱弯”的原则。

5 结语

在建筑结构设计的过程中，剪力墙结构的设计和应用能够在很大程度上提升整个建筑的质量，对提升建筑的安全稳定性、整体刚度、承载力以及抗震性能等方面都有着非常重要的作用。为了能够充分发挥出剪力墙结构的优势，相关设计人员必须要对剪力墙结构的优势和劣势加以分析，并且掌握该结构应用过程中的要点，进一步突出剪力墙结构的优点，使该结构能够进一步提升建筑的整体质量。