剪力墙在建筑结构设计的应用

 摘要：本文首先从分析剪力墙结构设计的要点及软件计算方法的选择入手，分别从剪力墙结构体系的布置、剪力墙构件设计（墙肢、连梁、楼板和转角洞口）分析了剪力墙结构设计中应注意的事项及一般原则，并在文章最后结合某建筑住宅实例进一步阐述了剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用，以确保建筑结构的设计质量。

关键词：剪力墙；结构设计；一般原则；设计要点

一、引言

在我国经济大建设时期，由于资金条件限制，住宅并不以舒适度作为优先考虑条件，且多以平房及多层单元房为主。随着人们生活质量和消费观念的不断提升，对建筑的环境绿化、表现形式等方面提出了更高的要求。在总用地面积不变的情况下，怎样提高建筑物周边的绿化和人员活动区域的面积问题越来越突出，这不得不使我们的建筑物进一步向高空发展，留下更多的地面面积作为绿化区域和人员活动区域，为此一些有个性的复杂建筑市场前景相应产生。目前100米高层住宅较为普遍，这类建筑的出现，如采用框架结构，势必会出现框架柱外露（凸出）和房屋整体舒适度降低的问题，而剪力墙正好能解决这两个难题。剪力墙结构具有侧向刚度大，水平力作用下侧移小，合理将剪力墙布置在房间分隔墙内不影响房间内部布置和使用。且剪力墙结构因具有隔音防火效果好、美观度高、同时兼顾承重墙与分隔墙等作用，逐渐成为建筑结构设计中的主流结构体系，深受住户与开发商的青睐与关注。

二、剪力墙结构设计的要点及软件的选择

剪力墙结构是一种空间结构体系，主要用于承受以下负荷：一是竖向荷载，主要是指梁板传递的恒（活）载、竖向地震作用和剪力墙自身重量等；二是水平荷载，主要包括地震作用和水平风荷载等。剪力墙内力和变形分析主要考虑到以下两种情况：一是在极限承载力状态下，剪力墙能安全承受重力荷载；二是在正常使用极限状态下，结构变形在可控范围内，且满足规范要求可有效延长建筑结构的使用周期。在不同的空间环境中建筑的使用功能存在一定差异，剪力墙有时需开设门窗洞口，根据这一特性可将剪力墙分为以下几种类型:①整截面墙。若由于建筑使用功能的要求而无需开设门窗洞口，或者洞口的总面积低于剪力墙总面积的16%；②整体小开口墙：若剪力墙上开洞的面积较大，且洞口结构是呈竖直方向排列的，同时洞口的总和面积超过剪力墙总面积的16%；③联肢墙。若剪力墙在竖向有一些面积较大的洞口，剪力墙的整体性能会呈大幅下降，将这类剪力墙看作一些单肢剪力墙或墙肢由一系列连梁连接起来组成的，这种剪力墙称为联肢墙。如何判断剪力墙的类型，可通过肢墙系数ζ、肢墙系数限值[ζ]和整体参数α进行判断：①洞口的面积小于整个墙面立面面积的16%；洞口间的距离及洞口到墙边的距离均大于洞的边长。只有同时满足上述两个条件，则可判断该剪力墙为整截面墙；②若ζ≤[ζ]，且α≥10，则可判断该剪力墙为整体小开口墙；③若ζ≤[ζ]，且α＜10，则可判断该剪力墙为联肢墙。

三、剪力墙结构设计的一般规定

（一）剪力墙结构体系的布置原则。

1、结构平面布置①通常建筑结构的平面体系布置，应尽量遵循建筑形状受到风压较小的原则；②通常剪力墙结构在拐角墙和结构两端处的受力相对复杂和敏感，故尽量避免在结构两端设置楼梯间；③在工业化建筑发展的趋势下，建筑剪力墙结构的房间持续不宜过大、构件类型不宜过多；④在建筑结构的平面体系布置过程中，要尽量增加结构的抗扭刚度；⑤剪力墙结构设计应满足抗震设防的基本要求，即在满足结构平面均匀性、对称性的基础上，将结构外形布置的长度控制在合理范围内；针对剪力墙结构承载力、稳定性较薄弱的部位应强化抗震构造设计。

2、结构竖向布置①结合相关抗震设计规范，设置多道抗震防线；②确保结构的承载力和刚度呈均匀分布，避免出现应力集中或塑性变形集中的现象；③在剪力墙结构设计中，有必要在除基础外的上部结构中设计伸缩缝（当建筑物长度超出规范要求时），避免建筑物开裂；④墙肢在布置时要双向布置，确保结构的平面受力能分散在四周；墙肢在竖向布置时，应考虑到刚度变化的均匀性，避免扭转；⑤建筑的竖向布置侧向刚度宜从下到上逐渐减小，在对剪力墙结构进行抗震分析时，若结构相邻上、下层的层高比＞1.5，刚度比应≥1.1；当相邻底层是结构嵌固端时，如高规指出地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，地下一层与首层侧向刚度比宜≥2.0。

（二）剪力墙构件设计的原则。

1、墙肢的设计①在计算水平荷载时，可按照位移协调的原则进行分配；②墙肢在平面布置时要双向布置，常见的布置结构有矩形、T形和L形等；③为了避免剪力墙的弯曲刚度增大，应将墙肢长度控制在8m内，各墙段的高度与墙段长度之比不宜小于3；④考虑到建筑整体的经济性，应严格控制墙肢的数量。

2、连梁的设计①从结构设计的角度来说，塑性铰应首先出现在连梁上，即满足“强墙弱连梁”或“强墙弱梁”的设计理念；②从构造设计的角度来看，连梁或框架梁均应满足抗震要求，二者纵向钢筋和来梁底钢筋的锚固长度均要满足抗震设计的最小锚固长度；梁截面尺寸、跨高比的间距、钢筋直径等要满足抗震设计要求；梁上开洞时，洞口的大小、位置及其周边设计等要满足构造要求；③可通过设置水平缝而形成双连梁、多连梁等，以提高连梁的抗剪承载力；④在确保提高梁截面不会影响到建筑结构抗剪承载力的前提下，设计人员可适当通过降低连梁的刚度，来达到合理控制剪切力分配比例的目的。常见的控制方法为：在计算采用内力配筋的过程中，通过调整连梁刚度折减系数来控制剪切力的分配比例。

3、楼板的设计①若楼板内需要设置管道时，现浇板的最小厚度应大于管道外径的3倍，比如当电线套管直径为2.5cm时，现浇板的最小厚度至少为10cm；②在弯矩、挠度等验算过程中，应在考虑板的四边支撑问题的基础上，增加板的厚度；③设计楼面面层荷载时，如需考虑后期装修施工时荷载增加的可能性时，非固定隔墙的自重应取不小于1/3的每延米长墙重（kN/m）作为楼面活荷载的附加值（kN/m2）计入,且附加值不小于1.0（kN/m2）。4、转角洞口的设计①通过在转角阳台、转角窗的上下楼层处设置梁或暗梁的措施，来提高结构整体的承载力和传力性能；②在转角洞口的两侧设置剪力墙，应尽量选择整截面墙；③为了保证转角洞口结构的刚度，应适当增加其所在楼层的楼板厚度，配筋布置时最好双层双向通长布置。

四、实例分析剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用

（一）工程概况。某高层住宅建筑在电梯间、房间和楼梯间边角运用了异形墙肢；利用SATWE软件对剪力墙结构进行模拟，在模拟过程中实现了剪力墙单元的细分，以及墙上开洞的自动化处理。

（二）模拟结果分析。1、自振周期在地震作用计算分析过程中，按现行规范填写相关系数及计算规定，计算得出结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比为0.7962（A级高度高层建筑），满足规范提出＜0.9的要求。2、结构位移从基于风荷载的建筑结构位移情况来看，X、Y向楼层层间最大位移与层高之比分别为1/1219、1/1266；均满足了剪力墙规范限值1/1000的要求。X、Y向层间最大位移和层均位移比分别为1.15、1.08；均满足了规范A级高度高层建筑物限值1.20的要求。从基于地震荷载的建筑结构位移情况来看，X、Y向楼层层间最大位移与层高之比分别为1/1912、1/2705；X、Y向层间最大位移和层均位移比分别为1.10、1.12；均满足了规范相应要求。3、剪重比和刚重比本项目剪重比情况为：X向剪重比最小值为0.81%，Y向剪重比最小值为0.82%，均满足规范提出的0.8-1.0%要求。本项目刚重比情况为：刚重比直接影响着重力二阶效应，且二者间呈负相关，即重力二阶效应会随着刚重比的持续减小而增强，当重力二阶效应达到一定程度后会出现结构倒塌的可能性。本方案X向刚重比由之前的9.87减小为5.93，Y向刚重比由之前的9.14减小为5.14，有利于减弱重力二阶效应。4、经济性混凝土费用和钢筋费用分别与其体积呈正比关系，从方案实施的经济来说，该工程所使用的钢筋为39kg/m2,混凝土量为0.39m3/m2，较不考虑剪力墙之前约节省不少费用，这样既为国家节约了财力物力，又为业主节省了开支，从而达到了共赢的目的。

五、结语

综合上述分析可知，剪力墙结构设计直接影响到建筑整体的安全性和经济性，故在建筑结构设计中有必要对各类型剪力墙的受力情况、剪力墙结构体系的布置原则及其构件设计原则等进行深入了解，从工程实践入手对设计方案进行持续优化和调整，确保建筑结构的安全及各项性能均能达到预期设计目标。

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