高層民用建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及其優(yōu)化策略

周 媛

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 , 北京 102600)

剪力墻是一種相對(duì)特殊的結(jié)構(gòu)體系，在高層民用建筑中的應(yīng)用非常多，良好的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅可以有效發(fā)揮剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性、安全性優(yōu)勢(shì)，更可以提升整體結(jié)構(gòu)的科學(xué)性。因此，當(dāng)下隨著高層民用建筑項(xiàng)目數(shù)量的增多、規(guī)模的擴(kuò)大，剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已然成為了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容，但部分工程企業(yè)在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存在很多的不足，難以發(fā)揮剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。各個(gè)工程企業(yè)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，都應(yīng)該從結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化角度出發(fā)，加強(qiáng)剪力墻結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)優(yōu)化。

1.高層民用建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.1 剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

城市化發(fā)展伴隨著越發(fā)明顯的土地緊張問題，各種建設(shè)工程項(xiàng)目實(shí)施中，為克服土地資源限制，建筑工程呈現(xiàn)出高層化趨勢(shì)，項(xiàng)目數(shù)量有所增多、規(guī)模日漸擴(kuò)大。但因?yàn)榻ㄖ膶訑?shù)多、高度大，整個(gè)結(jié)構(gòu)受到的作用力繁多且復(fù)雜，軸線并行、側(cè)向移動(dòng)等均是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)關(guān)注的方面[1]。由于剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，高層建筑項(xiàng)目實(shí)施中，人們?cè)絹碓絻A向于這一結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)建，但在剪力墻結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使得剪力墻具有較好的抗側(cè)剛度、較小的側(cè)移、良好的吸收性能，只有這樣，方可使得剪力墻結(jié)構(gòu)具有極好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗震性，能夠應(yīng)對(duì)來自內(nèi)外部的各種結(jié)構(gòu)沖擊。對(duì)于高層民用建筑而言，為達(dá)到總體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，剪力墻結(jié)構(gòu)的高度和厚度都相對(duì)偏大，這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求使得該結(jié)構(gòu)體系即使處于荷載作用下，也可以發(fā)揮剪力墻結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮其抗剪切力機(jī)械強(qiáng)度能量小的特征。一旦剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用對(duì)象是超出20層的建筑，為保障截面彎矩最為極限承載力的計(jì)算科學(xué)性和準(zhǔn)確性，必須要以全截面抗彎作為計(jì)算基礎(chǔ)，根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，在洞口越小的條件下，剪力墻結(jié)構(gòu)的性能越理想，越可以發(fā)揮其在建筑結(jié)構(gòu)中的優(yōu)勢(shì)。此外，高層民用建筑中的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過科學(xué)的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以有效對(duì)建筑空間加以科學(xué)劃分，實(shí)現(xiàn)空間資源的合理利用，有效提升了室內(nèi)框架結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)潔性和美觀性。因?yàn)榧袅Y(jié)構(gòu)中各個(gè)構(gòu)件都為混凝土材料制成，使得剪力墻結(jié)構(gòu)的重量大，地震災(zāi)害出現(xiàn)時(shí)該剪力墻結(jié)構(gòu)也勢(shì)必由于以自重出現(xiàn)明顯的地震反應(yīng)，再加上抗側(cè)剛度的存在使得地震時(shí)的地震反應(yīng)力加大，因此，為使得剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性得以增強(qiáng)，應(yīng)從其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。

1.2 剪力墻結(jié)構(gòu)的分類

對(duì)高層建筑而言，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)性能的要求相對(duì)較高，不同的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)整體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否必須開洞，如果存在開洞的必要，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮開洞的大小[2]。根據(jù)高層民用建筑中的剪力墻設(shè)計(jì)和使用情況，一些剪力墻開洞，而一些剪力墻不開洞，且開洞的剪力墻結(jié)構(gòu)中，洞的大小也存在著明顯的區(qū)別。因此，在高層民用建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，開洞與否、開洞大小可以作為劃分基準(zhǔn)，建筑結(jié)構(gòu)中大多包含了實(shí)體墻、整體小開口剪力墻、多肢剪力墻、壁墻框架。對(duì)實(shí)體墻而言，其屬于不開洞剪力墻，當(dāng)然，在一些建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用時(shí)，實(shí)體墻剪力墻的開洞非常小，整個(gè)結(jié)構(gòu)體系中沒有任何的受力突變和反彎點(diǎn)。整體小開口剪力墻比較特殊，同樣屬于小開洞結(jié)構(gòu)，墻彎矩存在明顯突變，在高度上沒有反彎點(diǎn)分布，但局部存在反彎點(diǎn)。多肢剪力墻為大開洞結(jié)構(gòu)。

2.剪力墻設(shè)計(jì)原則

2.1 連續(xù)性

高層民用建筑的結(jié)構(gòu)包含了多種的形式，在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的可選擇性也相對(duì)較多，為使得剪力墻結(jié)構(gòu)可以與整體的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)相符合，專業(yè)設(shè)計(jì)人員在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的調(diào)查，根據(jù)總體的結(jié)構(gòu)要求和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，選擇最佳的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略。剪力墻結(jié)構(gòu)是建筑工程結(jié)構(gòu)中一種相對(duì)特殊的結(jié)構(gòu)體系，主要是通過相關(guān)建筑構(gòu)件的利用來實(shí)現(xiàn)對(duì)部分結(jié)構(gòu)的分離，從其在結(jié)構(gòu)中的作用來看，剪力墻結(jié)構(gòu)有一定的承載力和阻力作用[3]。因此，任何的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)始終堅(jiān)持連續(xù)性的設(shè)計(jì)要求，以避免剛度的極端變化而引起結(jié)構(gòu)位移和偏差。

2.2 特殊性

因?yàn)槊總€(gè)的高層建筑都有其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)要求，在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)堅(jiān)持特殊性要求，做好對(duì)整個(gè)高層建筑的結(jié)構(gòu)受力分析。墻體作為建筑結(jié)構(gòu)中的平面結(jié)構(gòu)，其受力不僅包含了水平的彎矩和剪力作用，更包含了豎向壓力，為達(dá)到剪力墻設(shè)計(jì)的良好效果，剪力墻設(shè)計(jì)應(yīng)從結(jié)構(gòu)受力的特殊性出發(fā)，做好相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升剪力墻的應(yīng)用效果。

3.高層民用建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

3.1 剪力墻設(shè)計(jì)要為后續(xù)的建筑改造留有余地

作為結(jié)構(gòu)體系的一部分，為發(fā)揮剪力墻作用，設(shè)計(jì)人員應(yīng)給后續(xù)建筑改造留有一定余地，要使得剪力墻主體設(shè)計(jì)能夠在達(dá)到基本剛度的前提下為建筑中的門窗設(shè)計(jì)留有一定的空間。總之，剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，嚴(yán)禁設(shè)計(jì)的隨意性，避免門洞挖掘的重復(fù)。為使得剪力墻空間合理，設(shè)計(jì)人員在總體的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)提前做好相應(yīng)的空間分析與規(guī)劃，將墻體劃分成若干個(gè)部位，使得門窗的設(shè)計(jì)盡可能合理，與剪力墻結(jié)構(gòu)相匹配[4]。

3.2 合理布置剪力墻平面

剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性、穩(wěn)定性和安全性目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)，在一定程度上取決于剪力墻的平面布置情況。在平面布置時(shí)，應(yīng)從以下方面來開展：（1）剪力墻平面布置應(yīng)始終堅(jiān)持對(duì)稱性和均勻性的原則，使得墻面中心可以完全和結(jié)構(gòu)剛度中心重合，通過這種控制來減小扭矩，實(shí)現(xiàn)與墻體的對(duì)直；（2）抗震剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量選用兩側(cè)都有剪力墻的設(shè)計(jì)方案；（3）始終沿中心軸線的方向保持對(duì)稱性；（4）將剪力墻抗側(cè)力剛度控制在合理的范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)的過程中，可以直接利用T=(0.05-0.06)n公式來進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中，T代表的是經(jīng)驗(yàn)公式，n為剪力墻結(jié)構(gòu)層數(shù)，在此公式下，確定剪力墻剛度的范圍，保持剛度和層數(shù)相符合；（5）剪力墻布置不宜太密，盡量多布設(shè)均勻長(zhǎng)墻，少布設(shè)短墻，最好使得墻肢厚度沿著高度方向上呈現(xiàn)均勻變化的趨勢(shì)；（6）堅(jiān)持“強(qiáng)周邊、弱中部”的布設(shè)要求，將剪力墻平面布設(shè)為L(zhǎng)、T、十字形等多種簡(jiǎn)單形式，以提升剪力墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.3 正確處理剪力墻的墻肢

對(duì)高層民用建筑中的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，為提升其總體的結(jié)構(gòu)性能，相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了剪力墻延展性要求，因?yàn)楦邔用裼媒ㄖ械募袅Ω叨容^大，在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該從延展性方面考慮，盡可能用彎曲剪力墻來替代原先的剪力墻結(jié)構(gòu)，以通過這種方式來使得剪力墻的機(jī)械強(qiáng)度達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)[5]。對(duì)于一些長(zhǎng)度較大的剪力墻而言，可以通過開洞的方式減少結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)，使得在整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)中，剪力墻中的鋼筋可以更好地發(fā)揮其支撐作用。因?yàn)榇髩χ诘卣鹱饔孟潞苋菀讛嗔?，因此，如果剪力墻中的墻肢長(zhǎng)度超過了8m，一般可以通過開洞設(shè)計(jì)的方式來減弱地震效應(yīng)干擾。

3.4 合理處理邊緣構(gòu)件

通常情況下，對(duì)高層民用建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，其邊緣構(gòu)件一般包含了構(gòu)造型和約束型兩種，為提高剪力墻結(jié)構(gòu)性能，對(duì)于處于下部處理加強(qiáng)位置且抗震性能相對(duì)較差的高層民用建筑剪力墻而言，選擇構(gòu)造型邊緣構(gòu)件；而對(duì)于加強(qiáng)部位和高層民用建筑與重荷載作用下墻體軸壓比平均值超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的情況而言，更適宜選用約束型邊緣構(gòu)件。對(duì)構(gòu)造邊緣構(gòu)件而言，其在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)符合正截面受壓或者受拉承載力的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于構(gòu)造邊緣構(gòu)件豎向分布鋼筋而言，其最小配筋率、根數(shù)、直徑都應(yīng)該與相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相一致，在達(dá)到計(jì)算值、最小配筋率、根數(shù)、直徑等的標(biāo)準(zhǔn)下，其中的多余鋼筋可選用小直徑鋼筋，但不應(yīng)小于剪力墻豎向分布鋼筋的強(qiáng)度等級(jí)和直徑。此外，構(gòu)造邊緣構(gòu)件的強(qiáng)度、延性都應(yīng)該比墻體要高，雖然相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中沒有明確規(guī)定邊緣構(gòu)件縱筋間距的要求，但卻可以以相應(yīng)的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范來實(shí)施。

3.5 合理設(shè)計(jì)過渡層

過渡層的設(shè)計(jì)效果同樣與剪力墻結(jié)構(gòu)體系性能之間有著直接的關(guān)系，主要是由于高層建筑結(jié)構(gòu)中非常重視結(jié)構(gòu)抗震性這一性能，地震災(zāi)害發(fā)生的瞬時(shí)時(shí)間段內(nèi)，地震作用力將對(duì)剪力墻產(chǎn)生巨大的沖擊，而當(dāng)過渡層剪力墻墻體受到部分荷載干擾時(shí)，勢(shì)必面臨承載力減小的趨勢(shì)，對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)性能的不利影響非常大。因此，高層民用建筑中的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)從整體的結(jié)構(gòu)性能著手，對(duì)剪力墻的各個(gè)細(xì)節(jié)加以適當(dāng)調(diào)整，使得各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)都符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)人員在充分進(jìn)行了相應(yīng)的受力特點(diǎn)分析以后，才能夠開展相應(yīng)的結(jié)構(gòu)計(jì)算，通過科學(xué)的過渡層布置，來起到地震能量的削弱作用。對(duì)于存在過渡層或者轉(zhuǎn)換層的剪力墻結(jié)構(gòu)，如底層框架剪力墻，因?yàn)檫^渡層或者轉(zhuǎn)換層的剪力墻墻體在地震發(fā)生的過程中，需提供最大的抗傾覆力和抗剪切力，當(dāng)處于垂直均勻荷載的情況下，過渡層或者轉(zhuǎn)換層的剪力墻墻體處于拉剪或者壓剪應(yīng)力狀態(tài)下，一旦存在橫向的荷載作用力，在過渡層或者轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)中，應(yīng)使得其橫向承載力、抗裂性能同步減小。

3.6 對(duì)剪力墻的連梁設(shè)計(jì)展開優(yōu)化

剪力墻設(shè)計(jì)中的連梁設(shè)計(jì)也非常重要，通過科學(xué)的連梁設(shè)計(jì)，建筑結(jié)構(gòu)剛度得以改善，可以在一定程度上將側(cè)向位移控制在合理的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，進(jìn)而來提升整體建筑的穩(wěn)定性。但因?yàn)轳詈狭杭袅υO(shè)計(jì)時(shí)常常會(huì)受到諸多因素的影響，如果在設(shè)計(jì)過程中缺乏對(duì)這些因素的科學(xué)考慮，可能會(huì)導(dǎo)致剪力墻的結(jié)構(gòu)性能難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，無法提升高層建筑的整體性能。比如，在剪力墻設(shè)計(jì)中，如果連接梁的橫高度過小，連接梁就無法在整個(gè)高層建筑內(nèi)發(fā)揮其作用，具體來說，當(dāng)受到反復(fù)的荷載作用力時(shí)，結(jié)構(gòu)裂縫將難以避免，剪力墻的質(zhì)量安全問題突出。因此，針對(duì)連接梁在剪力墻中的作用，在剪力墻設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選用高連接梁，做好相應(yīng)的受力分析。

4.結(jié)語

高層民用建筑結(jié)構(gòu)的日漸復(fù)雜化，加劇了人們?cè)诖祟惞こ讨袑?duì)剪力墻結(jié)構(gòu)體系的重視和使用，但剪力墻結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)時(shí)需注意的設(shè)計(jì)要點(diǎn)較多，設(shè)計(jì)人員應(yīng)從受力分析的角度，做好相應(yīng)的結(jié)構(gòu)計(jì)算和優(yōu)化，全面提升高層民用建筑的結(jié)構(gòu)性能。