剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用研究分析

汪加樂

浙江東華規(guī)劃建筑園林設(shè)計(jì)（集團(tuán)）有限公司 浙江 杭州 310005

現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，這與該墻體結(jié)構(gòu)的延展性、承重性以及結(jié)構(gòu)韌性等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)關(guān)系密切。剪力墻結(jié)構(gòu)類型也較多，如實(shí)體墻、聯(lián)肢墻、框肢墻等，不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生的效果也略有不同，具體應(yīng)用哪一類型，還要依據(jù)建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。且該墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖然優(yōu)點(diǎn)眾多，使得建筑結(jié)構(gòu)整體的強(qiáng)度增強(qiáng)，但其仍然存在一定缺陷問題，如剪力墻結(jié)構(gòu)的耐久性較差，這也是該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)被廣泛應(yīng)用，而沒有完全替代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要原因。從這一點(diǎn)上來看，剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍然需要予以高度重視、可靠?jī)?yōu)化，確保剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)愈加趨于完善，可對(duì)建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及耐用性、使用壽命等產(chǎn)生更為積極的影響，促使建筑領(lǐng)域發(fā)展，愈發(fā)向著科技化、高質(zhì)量方向行進(jìn)。

1 概述

剪力墻結(jié)構(gòu)是當(dāng)前較為廣泛應(yīng)用的一種建筑墻體設(shè)計(jì)方式，就其具體內(nèi)容，可以通過以下兩點(diǎn)進(jìn)行了解。

1.1 剪力墻結(jié)構(gòu)概念

剪力墻結(jié)構(gòu)是指以鋼筋混凝土板為主要結(jié)構(gòu)（承重梁柱），控制結(jié)構(gòu)水平力、承擔(dān)各類載荷內(nèi)力，能夠承載水平向力、豎向壓力的一種鋼筋混凝土板式墻體結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相對(duì)較高，可約束建筑水平向力，整體提升建筑結(jié)構(gòu)載荷能力。具體包括實(shí)體墻、聯(lián)肢墻以及框肢墻、有邊框墻、核心筒等幾種類型，如圖1所示。

圖1 剪力墻結(jié)構(gòu)分類

1.2 剪力墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

剪力墻結(jié)構(gòu)具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)：穩(wěn)定、強(qiáng)度大以及延展性、經(jīng)濟(jì)性、抗震性能良好等。高層建筑中，剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，可以有效提升建筑工程性價(jià)比，降低成本的同時(shí)，保證建筑基本性能[1]。總結(jié)起來剪力墻結(jié)構(gòu)具有剛度、受力以及抗震性能等多方面的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)，但也并非每一種建筑都適用剪力墻結(jié)構(gòu)，具體還需充分結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行考量，以條件優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)效果評(píng)價(jià)，分析判斷是否適用該結(jié)構(gòu)墻體。且裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的耐久性相對(duì)較弱，依據(jù)裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示，其耐久性受到縱向鋼筋、箍筋以及錨環(huán)、混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)制墻板等各方面因素的影響，仍需予以進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能夠有效確保其耐久性能提升，彌補(bǔ)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不足，促使應(yīng)用范圍擴(kuò)大。

圖2 剪力墻結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)

2 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，需保證遵循相應(yīng)原則，具體如以下內(nèi)容所述，應(yīng)從墻體受力、搭接以及剛度、延展性設(shè)計(jì)、剪力系數(shù)控制等角度，整體保證剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足工程建設(shè)需求。

2.1 墻體受力

墻體受力設(shè)計(jì)方面，應(yīng)注意結(jié)合具體的分析結(jié)果進(jìn)行。借助相應(yīng)的測(cè)算標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行合理的測(cè)算，保證受力設(shè)計(jì)合理。剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要為鋼筋混凝土材料，與傳統(tǒng)框架梁柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，剪力墻結(jié)構(gòu)承載建筑內(nèi)力較多，能夠保證建筑整體水平承載力提升。這就需要關(guān)注該結(jié)構(gòu)墻體受力情況，對(duì)墻體各部位受力情況予以分析，影響受力的因素，受力為水平剪力，還是豎向壓力等，都應(yīng)在受力分析中予以明確，確定墻體受力方向及剪力特點(diǎn)，便于進(jìn)一步確定剪力墻墻體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 墻體搭接

墻體搭接設(shè)計(jì)，主要針對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)與同類、異類墻體進(jìn)行搭接過程中，應(yīng)該注意的事項(xiàng)及具體搭接標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行明確。剪力墻結(jié)構(gòu)相對(duì)較為特殊，平面承受的力一方面來自自身重力、建筑豎向壓力，一方面來自水平方向的剪力，且結(jié)構(gòu)整體的剛度較高。而剪力墻平面結(jié)構(gòu)外力作用相對(duì)較小，如空間壓力、剪力作用較小，相比較而言剛度也不大，由此達(dá)到較好的自身穩(wěn)定性及延展性，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的支撐、承載力更大。如此一來，就要求，墻體搭接后，同樣能夠保持剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。如與梁體結(jié)構(gòu)搭接，平面外彎矩增加可能性較大，應(yīng)具體計(jì)算梁體結(jié)構(gòu)承載力、剪力墻結(jié)構(gòu)承載力及各個(gè)方面力的作用是否能夠合理抵消，以確保搭接結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

2.3 剛度與延展性控制

剛度與延展性控制方面，主要因其對(duì)建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有一定的影響，需要對(duì)其予以高度重視，確保經(jīng)過合理計(jì)算、分析，保證結(jié)構(gòu)剛度、延展性設(shè)計(jì)合理，才能夠確保整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。此外，還應(yīng)保證外梁和剪力墻結(jié)構(gòu)分離，以確保剪力墻外部承載力得到充分保障。且對(duì)于一些結(jié)構(gòu)更加特殊的剪力墻，還可依據(jù)實(shí)際需求，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，最大限度保證結(jié)構(gòu)延展性、剛度。如上述與外梁結(jié)構(gòu)合理搭接，可以一定程度優(yōu)化剪力墻結(jié)構(gòu)內(nèi)外承載力，改善整體穩(wěn)定性能。

2.4 剪力系數(shù)控制

剪力系數(shù)控制，主要是從抗震性能角度考慮，分析剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能需求及剛度需求，依據(jù)不同剪力墻結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)不同剪力系數(shù)[2]。與此同時(shí)，還要注意結(jié)構(gòu)內(nèi)增加傾覆力矩，保證合理測(cè)算后，剪力系數(shù)能夠滿足具體要求，保證結(jié)構(gòu)抗震性能。

具體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意合理降低層間系數(shù)，水平地震剪應(yīng)力小于層間系數(shù)。最大限度保證空間設(shè)計(jì)合理性，以適當(dāng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)水平剛度，據(jù)此計(jì)算出層間最小剪力系數(shù)。此外，還應(yīng)最大限度降低結(jié)構(gòu)自重，一方面減少成本支出，一方面優(yōu)化抗震性能。還要注意抗側(cè)剛度設(shè)計(jì)，對(duì)側(cè)向剛度設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)傾覆力矩、位移以及內(nèi)力等進(jìn)行一定調(diào)整，確保剛度設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)抗震性能得以充分保障，整體安全性提升。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用，可以從設(shè)計(jì)方案、定位、大墻肢設(shè)計(jì)以及平面布置等內(nèi)容進(jìn)行了解，具體如下：

3.1 完善剪力墻設(shè)計(jì)方案

完善剪力墻設(shè)計(jì)方案，是從提升剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)的角度出發(fā)，強(qiáng)調(diào)進(jìn)一步增強(qiáng)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作用，促使其對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生更為積極的影響。

如針對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性方面，為持續(xù)發(fā)揮其“平衡”作用，可以從設(shè)計(jì)方案優(yōu)化角度出發(fā)，充分結(jié)合建筑施工實(shí)際情況，利用現(xiàn)代科技對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整，使剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與現(xiàn)實(shí)需求相符，同時(shí)又能夠最大限度降低剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本，最大化體現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)[3]。如剪力墻穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方面，綜合考慮成本問題，可以從施工材料選用方面進(jìn)行優(yōu)化，一方面保證材料符合剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，另一方面設(shè)計(jì)要求施工人員嚴(yán)格按照相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，對(duì)材料的運(yùn)用要從合理角度，把控材料應(yīng)用數(shù)量。對(duì)于長(zhǎng)度偏長(zhǎng)的剪力墻，應(yīng)予以適當(dāng)調(diào)整，且設(shè)置適宜洞口，以保證剪力墻長(zhǎng)度適宜、協(xié)調(diào)性高，整體保證穩(wěn)定性增強(qiáng)。

此外針對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)受力點(diǎn)分析以及墻體厚度設(shè)計(jì)、配筋和邊緣構(gòu)件設(shè)計(jì)、過渡層的設(shè)計(jì)、連梁設(shè)計(jì)等，都應(yīng)該予以充分考慮、細(xì)化，確保能夠?qū)⒓袅Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)充分體現(xiàn)出來，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生更為積極可靠的影響。

3.2 準(zhǔn)確定位剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻結(jié)構(gòu)定位是指，在具體開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí)，應(yīng)注意先明確剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的，繼而明確具體設(shè)計(jì)中的各個(gè)環(huán)節(jié)定位問題。如剪力墻結(jié)構(gòu)在剛度、延展性方面具有較大優(yōu)勢(shì)，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論時(shí)，就應(yīng)注意圍繞平面結(jié)構(gòu)布置、豎向結(jié)構(gòu)布置等內(nèi)容展開設(shè)計(jì)工作，且平面布置過程中，應(yīng)確定剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)剛度需求、剛度中心、質(zhì)量中心，對(duì)剪力墻進(jìn)行有效拉直處理。此外，整體設(shè)計(jì)應(yīng)注意不能過于繁瑣，應(yīng)嚴(yán)格按照剪力墻設(shè)計(jì)相應(yīng)原則、規(guī)范性內(nèi)容，適選適宜剛度，滿足建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定、強(qiáng)度足夠等需求，以切實(shí)發(fā)揮出剪力墻的積極作用。

3.3 合理處理剪力墻內(nèi)大墻肢

剪力墻內(nèi)大墻肢是指長(zhǎng)度超過一定范圍、高寬比達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)的墻肢，這類墻肢一般在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中較為常見，大墻肢設(shè)計(jì)與墻身設(shè)計(jì)存在較為密切的聯(lián)系。在考慮加強(qiáng)大墻肢設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合墻身設(shè)計(jì)進(jìn)行。

如針對(duì)墻身設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該注重對(duì)水平、豎向鋼筋的設(shè)計(jì)，一般運(yùn)用定量分析法進(jìn)行測(cè)算，且對(duì)于正截面抗彎承載力、斜截面抗剪承載力的驗(yàn)算也會(huì)運(yùn)用該方法，確保結(jié)果整體設(shè)計(jì)的合理性、科學(xué)性。此外針對(duì)配筋設(shè)計(jì)問題，一般結(jié)合抗震性能考慮，1—3級(jí)抗震需求下，配筋率一般要求達(dá)到0.25%以上，4級(jí)抗震設(shè)計(jì)則要求配筋率達(dá)到0.2%以上[4]。

針對(duì)配筋問題，還有鋼筋尺寸大小、間距、直徑等內(nèi)容需要充分考慮，如尺寸大小應(yīng)與抗震設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)墻體強(qiáng)度設(shè)計(jì)等相掛鉤，保證規(guī)格合理；水平鋼筋、豎向鋼筋間距要求在0.3m上下，直徑需大于0.8cm等，整體保證墻身的強(qiáng)度。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)大墻肢時(shí)，才能夠保障一定的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，且為進(jìn)一步提升大墻肢性能，還需進(jìn)行細(xì)化處理，針對(duì)8m以上大墻肢，應(yīng)預(yù)留相應(yīng)的孔洞，便于施工后設(shè)計(jì)填充墻，將大墻肢分成小墻肢，通過調(diào)整計(jì)算方法，提高“截取”后的小墻肢配筋率。

3.4 合理平面布置

平面布置方面，設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“均勻性”“對(duì)稱性”原則，保證墻面剛度中心、質(zhì)量中心重合，達(dá)到有效控制扭矩的效果。且為有效防范不均衡作用力，造成的負(fù)面影響，還對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)做拉直處理。沿著主軸走向，合理設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)，還應(yīng)做好雙向、多項(xiàng)布置，持續(xù)優(yōu)化剪力墻抗震性能[5]。如減少單向墻設(shè)計(jì)，增強(qiáng)剪力墻功能性，有效節(jié)約成本。為保證剪力墻結(jié)構(gòu)平面設(shè)計(jì)合理，質(zhì)量、安全性能得以充分保證，還需有效控制抗側(cè)力剛度，保證墻體重量設(shè)計(jì)合理（抗側(cè)力剛度過大，會(huì)使震力增加，重量增大，于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)不利）。

具體可以從有效把控工程施工信息角度出發(fā)，運(yùn)用相應(yīng)的信息管理系統(tǒng)，對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)予以有效測(cè)算、整理，了解各個(gè)施工流程等，以確?？拐鹦阅茉O(shè)計(jì)合理，如圖3所示。此外，針對(duì)一些相對(duì)較長(zhǎng)或者較寬的平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一般會(huì)設(shè)置溫度伸縮縫，保證整體性的同時(shí)，又能夠兼具一定抗震性能。

圖3 項(xiàng)目信息管理流程

4 結(jié)論

綜上所述，現(xiàn)代剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)較為成熟，在建筑行業(yè)該設(shè)計(jì)應(yīng)用較為廣泛，雖然其自身存在一定不足，如耐久性相對(duì)較差等，但是其整體產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)韌性、強(qiáng)度及穩(wěn)定性相對(duì)較高，從即用標(biāo)準(zhǔn)角度來看，剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用的可靠性較高。當(dāng)然技術(shù)在不斷發(fā)展，剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同樣如此，整個(gè)技術(shù)在持續(xù)研究發(fā)展過程中，還有很長(zhǎng)的路要走，結(jié)合建筑主體結(jié)構(gòu)使用需求，對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行更進(jìn)一步的優(yōu)化，促使其耐久性方面再有所提升，相信其在整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用會(huì)更具優(yōu)勢(shì)。尤其在近些年的“裝配式建筑”理念發(fā)展、應(yīng)用以來，其與剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之間，存在較多契合點(diǎn)，能夠滿足現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，對(duì)現(xiàn)代建筑施工建設(shè)便利、可靠、成本可控、質(zhì)量保障等方面的影響非常積極。因此更應(yīng)該對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建筑主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及各相關(guān)技術(shù)應(yīng)用等予以高度重視，并積極采取各類措施予以優(yōu)化。