淺析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

彭　輝（湖南省永州市建筑設(shè)計(jì)院，湖南　永州　425000）

?

淺析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

彭輝（湖南省永州市建筑設(shè)計(jì)院，湖南永州425000）

為了在高層建筑中合理進(jìn)行承重設(shè)計(jì)，確保建筑整體的安全性能，尤其需要重視剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)置與設(shè)計(jì)，為保證建筑質(zhì)量，提高建筑安全系數(shù)發(fā)揮重要作用。本文探討了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對于剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)措施，以供參考。

建筑結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；剪力墻；優(yōu)化

1　引言

剪力墻結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，常見的建筑結(jié)構(gòu)之一，該結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢在于具有較強(qiáng)的剛性、側(cè)移性強(qiáng)，且抗震能力好，但是在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，沒有形成一套完整、全面、科學(xué)的實(shí)施規(guī)定，尤其容易在剪力墻位置、尺寸、大小等方面，與實(shí)際的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之間出現(xiàn)誤差，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量問題?，F(xiàn)代的剪力墻建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，必須從整體上進(jìn)行考慮，從而保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

2　剪力墻結(jié)構(gòu)概述

2.1概念

在建筑工程施工中，剪力墻也就是經(jīng)常用到的結(jié)構(gòu)墻與抗風(fēng)墻。剪力墻可以承載的負(fù)荷比較大，能夠承載風(fēng)、雨以及地震等自然現(xiàn)象，來保證建筑工程項(xiàng)目的安全，并且確保了墻體剛度。

剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用優(yōu)勢在于：具有較好的穩(wěn)定性和整體性，能夠提高建筑物的承載能力；側(cè)向剛度較大，對建筑物水平方向的荷載有較好的限制作用，適合高層建筑；無外露梁柱和構(gòu)件，不會影響建筑內(nèi)部空間美觀和功能的分布。剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用缺點(diǎn)：剪力墻雖然穩(wěn)定性好，承載力佳，但對建筑的類別限制較大，因其承重原理是靠墻體和樓板形成的受力系統(tǒng)，且一旦建成就不易拆除，在空間上更是宜小不宜大，所以對于住宅和賓館等空間間隔不大的居住類建筑，比較適用剪力墻結(jié)構(gòu)。

2.2剪力墻的分類

①實(shí)體墻。實(shí)體墻一般情況下墻體不開洞，或者開洞的尺寸非常小。實(shí)體墻墻體抗彎曲的能力非常好，不會發(fā)生反彎現(xiàn)象，其負(fù)荷能力比較強(qiáng)；②整體小開口剪力墻。當(dāng)剪力墻上所開的洞口面積超過整面墻體面積的15%時(shí)，從受力圖中能看出本應(yīng)在洞口處呈直線狀的正應(yīng)力已經(jīng)變成在洞口兩側(cè)，此種情形雖然不會使剪力墻產(chǎn)生異常情況，但是在連梁處有反彎現(xiàn)象；③多肢剪力墻。多肢剪力墻墻體開洞的尺寸比較大，其開洞的地方分布的也比較均勻，墻體結(jié)構(gòu)和整體小開口剪力墻比較類似；④壁式框架剪力墻。剪力墻上洞口開得過大，剪力墻截面整體性將受到破壞，除梁柱的交接處不產(chǎn)生變形外，剪力墻此時(shí)已接近于框架的內(nèi)力分布，成為剪力墻與框架之間的一種過渡，即壁式框架。

2.3剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

①在對剪力墻進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)該充分考慮到水平與豎直作用下的結(jié)構(gòu)整體，獲得內(nèi)力之后，還應(yīng)該根據(jù)偏拉或者偏壓對于斜截面與正截面承載力進(jìn)行驗(yàn)算；②如果剪力墻與平面之外的梁相連，則會導(dǎo)致墻肢平面外彎距，對此，應(yīng)該盡量避免開平面外搭接；③剪力墻結(jié)構(gòu)為一個(gè)平面構(gòu)件，除了承受平面作用的彎矩與剪力之外，還需要承擔(dān)豎向壓力，因此，在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須保證一定的剛度和承載能力，同時(shí)還應(yīng)該滿足非彈性變形反復(fù)循環(huán)作用下的延性；④剪力墻的高、寬尺寸相對較大，厚度較小，其受力形狀類似于柱，如果肢長與厚度的比值在3～5之間，則應(yīng)該將剪力墻形狀設(shè)計(jì)為異形柱，并采用雙向受壓構(gòu)件設(shè)計(jì)，如果比值小于3時(shí)，則應(yīng)該采用柱設(shè)計(jì)方式。

3　剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1剪力墻定位

如果平面的布置控制工作沒有做好，則會導(dǎo)致平面不夠均勻或者對稱不接近標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，進(jìn)而造成剪力墻的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度與力作用重合偏差較大，最終會導(dǎo)致彎矩現(xiàn)象，墻體扭矩的狀況。因此，對于剪力墻的定位，需要按照估算好的數(shù)值、劃線定位，保持平面的均勻與對稱在標(biāo)準(zhǔn)范圍，同時(shí)，內(nèi)外墻體需要直通，墻體直截而保持簡且有規(guī)則。

3.2承重設(shè)計(jì)

對剪力墻的承重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于高質(zhì)量完成建設(shè)任務(wù)，剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該在充分了解相關(guān)政策和施工數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行剪力墻的各個(gè)承重構(gòu)件設(shè)計(jì)，確保建筑整體質(zhì)量和承重能力。在對剪力墻承重構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，還需要對原有的技術(shù)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化升級，準(zhǔn)確計(jì)算墻體的配筋率。

3.3墻面合理規(guī)劃

建筑墻體除了需要保持均勻與對稱，結(jié)構(gòu)重量與剛強(qiáng)度重合，墻體直通外，還需要注意墻體的主軸路線，應(yīng)當(dāng)考慮到主軸雙向與多向性。從抗震功能的角度思考時(shí)，如果剪力墻抗震動力度大時(shí)，就墻體的剛韌性有所降低，兩者應(yīng)當(dāng)控制在合理的數(shù)值范圍，避免相互制約的現(xiàn)象，其中剪力墻側(cè)向剛度的數(shù)據(jù)可以用以下公式計(jì)算：

式中：n為約力墻結(jié)構(gòu)層數(shù)。

在是施工過程中，還需要考慮到的就是剪力墻的施工工期、材料耗費(fèi)等投入的成本問題一級施工過程中存在的安全隱患問題等，規(guī)劃好各個(gè)方面，從而對剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)構(gòu)建。

3.4控制墻體配筋

剪力墻結(jié)構(gòu)有耗鋼量大的特性，而且在我國，這種建筑結(jié)構(gòu)在工程建設(shè)中應(yīng)用較廣，合理控制配筋量可以在資源和經(jīng)濟(jì)上都有很好的節(jié)約作用。在具體控制方法上，比較常見的是滿足規(guī)范配筋最小值的前提下，將水平鋼筋外側(cè)、豎向鋼筋內(nèi)側(cè)布置。迎水面保護(hù)層在采用雙向鋼筋網(wǎng)片時(shí)，可以很大程度上減少配筋量，其厚度可降為30mm。

3.5約束邊緣構(gòu)件

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，約束剪力墻邊緣構(gòu)件對其進(jìn)行處理可以使剪力墻在相同條件下發(fā)揮更大的作用。由約束邊緣構(gòu)件和構(gòu)造邊緣構(gòu)件這兩種方式構(gòu)成了剪力墻的約束邊緣構(gòu)件處理，各有優(yōu)缺點(diǎn)，綜合比較來看，構(gòu)造邊緣構(gòu)件在建筑承載力上有更好的表現(xiàn)，而有約束邊緣構(gòu)件則在抗震性和穩(wěn)定性上優(yōu)于構(gòu)造邊緣構(gòu)件，所以應(yīng)按具體項(xiàng)目具體需要進(jìn)行選擇。

4　剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例分析

4.1工程概況

某工程為高層建筑混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，這項(xiàng)工程的總建筑面積約 12570m2，建筑的總層數(shù)為地上 32層，局部 33層，地下共有2層，樓層的層高均為2.8m，整體建筑的高度是92.4m。此工程的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，設(shè)計(jì)的抗震設(shè)防烈度是Ⅶ度。總體來說，此工程在剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面做了非常到位的工作，剪力墻模板平面如圖1所示。

4.2結(jié)構(gòu)方案布置

圖1　剪力墻模板平面

此工程在結(jié)構(gòu)方案的布置上并沒有內(nèi)收外挑的情況，整體布置具有一致性，只是在屋面層存在著樓板躍層和局部突出的現(xiàn)象。在優(yōu)化結(jié)構(gòu)整體方案的布置上，建筑豎向剛度的變化主要體現(xiàn)在分段式改變結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸和混凝土的強(qiáng)度等級方面，為了方便施工，也為了建筑質(zhì)量的統(tǒng)一性，改變的次數(shù)不宜過多。但是從結(jié)構(gòu)受力的角度來分析，改變次數(shù)過少就會造成每次改變的剛度突變，這樣的剛度改變對于建筑存在安全隱患，所以在綜合考慮的情況下，決定將改變結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸和混凝土強(qiáng)度等級錯(cuò)開使用，避免出現(xiàn)同樓層的剛度突變，加強(qiáng)建筑物安全，混凝土的強(qiáng)度等級由下而上逐漸遞減。

4.3參數(shù)取值設(shè)計(jì)

為了使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加優(yōu)化，在參數(shù)取值上也進(jìn)行了多方面考慮，最終設(shè)計(jì)的參數(shù)取值如下：就容重方面而言，混凝土容重為27.5kN/m3，鋼材的容重為77.0kN/m3，對于梁、柱、墻的主筋和箍筋的強(qiáng)度以及墻分布筋，還有邊緣構(gòu)件的箍筋強(qiáng)度均取用360N/mm2。在陣型組合數(shù)方面共采取18個(gè)陣型，而將連梁剛度的折減系數(shù)取值為0.70。在整個(gè)設(shè)計(jì)中，全部只考慮偶然偏心的影響，而將雙向地震作用排除在外。另外就是在計(jì)算的時(shí)候，通通利用的是平扭耦連的方式進(jìn)行抗震計(jì)算。

4.4結(jié)構(gòu)優(yōu)化對比分析

①樓層的側(cè)移剛度。樓層側(cè)移剛度是剪力墻體系中的重要內(nèi)容，此次對比是將以往的剪力墻結(jié)構(gòu)和優(yōu)化設(shè)計(jì)下的剪力墻側(cè)移剛度進(jìn)行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下，雖然剪力墻在材料等方面做除了節(jié)省，但是其側(cè)移剛度依然保持著很好的質(zhì)量安全；②樓層層間位移角的對比。樓層位移角的對比主要是根據(jù)《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的要求對其進(jìn)行質(zhì)量方面的比較；③對地震反應(yīng)力和減震比的對比；④周期比的對比。通過四方面的對比發(fā)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)下，整個(gè)高層建筑的質(zhì)量安全完全在建筑標(biāo)準(zhǔn)要求之內(nèi)，而且由于在設(shè)計(jì)上進(jìn)行了優(yōu)化，各方面的水平都具有了顯著的提高，也節(jié)省建筑成本。

5　結(jié)語

綜上所示，剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將影響到建筑施工的可行性、使用安全穩(wěn)定性以及工程質(zhì)量等，因此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，必須進(jìn)行整體的布局考慮，結(jié)合建筑物特點(diǎn)，完善剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行合理的分析與計(jì)算，從而確保能夠從根本上發(fā)揮剪力墻整體效用，保證建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量。

［1］蔣歡軍，劉其舟.可恢復(fù)功能剪力墻結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展［J］.振動與沖擊，2015（7）：51～58.

［2］劉青.試論框架剪力墻結(jié)構(gòu)建筑施工技術(shù)［J］.江西建材，2015（4）：103.

［3］張錫治，李義龍，安海玉.預(yù)制裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的研究與展望［J］.建筑科學(xué)，2014，30（1）：56～57.

彭 輝（1984-），男，工程師，本科，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

TU398.2

A

2095-2066（2016）19-0154-02

2016-6-20