建筑结构设计中剪力墙结构设计的应用

王 娟

（甘肃宏图建筑设计有限公司，甘肃 兰州 730000）

1 引言

随着行业的发展和时代的进步，在建筑行业中，剪力墙被越来越广泛地应用于高层建筑的工程项目施工中。而社会的发展与经济的腾飞，使得我国的建筑行业也得到了极大的刺激，建筑项目越来越多，高层建筑项目更是在大城市中随处可见，建筑结构设计随之遇到了极大的挑战与困难，我们不能够再满足于过去那样的结构设计方案。各家公司只有不断地对剪力墙的结构进行优化与探究，加强剪力墙的结构设计与质量才能够满足当下的需求。剪力墙本身具有刚性强度大，整体性能好，并且能够很好地抵挡地震带来的灾害，加之建造剪力墙的成本与其他工程项目相比也更加低廉，因此，在建筑结构设计之时，其首先被考虑到。然而，就剪力墙的设计方案而言，目前并未有统一的、权威的、规范化的设计方案。这就导致了在各个工程项目中，剪力墙的尺寸大小、墙体结构、墙体质量都存在着极大的差异，使得工程质量没有办法得到保证。目前，虽然有一些人对剪力墙的结构设计进行了一些研究与探讨，文献[1]就剪力墙的结构设计以及其结构中抗侧的刚度与功能和抗震性能之间的关系进行了一些探讨；在文献[2]中作者同样从剪力墙的结构设计分析与应用相结合，研究了剪力墙的各方面性能，并且给出了一些设计方案；文献[3]和[4]的作者则从实际情况出发，分别从剪力墙的材料出发，讨论了钢板与钢筋对于剪力墙的安全性与稳定性的影响。除此之外，文献[5]和[6]也给出了对于剪力墙结构与性能的一些讨论与分析。尽管有很多的文献已经对剪力墙的各方各面进行了详细的讨论和详尽的分析，然而，现实是行业内还对剪力墙没有一个统一的认知和认识。因此，文章将从剪力墙的结构与优化设计以及剪力墙的应用等方面进行全面的概述，对剪力墙给出一个系统的叙述。

2 剪力墙结构概述

在高层建筑项目中，剪力墙之所以得到广泛应用，主要是因为其承载能力和墙体的刚性。因为剪力墙的载荷能力与刚性都非常之强，故在地震来临时凭借其特有的承载力可以降低水平载荷能力达到抗震的效果。剪力墙的主要原料是钢筋混凝土，通过将钢筋混凝土作为其墙体的主要结构，用于承载建筑物的横向力与纵向力，不仅能够达到分割空间的效果，通过建造剪力墙可以增加平面内的抗侧移强度，同时使平面外的抗侧移度变小，达到支撑建筑物结构的作用，且剪力墙还能够将建筑物的整体压力进行分散使得建筑的整体结构更为稳定。建筑公司有时也会从创新设计的角度出发去设计剪力墙，一方面是因为剪力墙的构建能够增强建筑物的整体稳定性与使用安全性，不但能够抵挡建筑物带来的载荷压力，还能够有效地维护上层建筑的整体架构，使其保持稳定。然而，剪力墙一旦造好就不能够被轻易拆卸和改造。为此，在项目设计阶段时，应该就剪力墙的设计和优化做好前期的准备工作，避免因为疏忽而造成严重的坍塌事故。

为了设计出科学化的剪力墙结构，我们需要先对其原理进行更加细致的了解。剪力墙的作用是在梁柱设计时利用钢筋混凝土的墙板代替框架结构，用于增加建筑整体的载荷能力和分散压力以及加强建筑整体的抗震作用。设计过程需要遵循以下几点原则，首先是剪力墙整体的衔接性要非常之强，设计时要考虑建筑整体的刚度和抗震所需要的稳定程度并且相应的配置合适的剪力墙体的数量；其次，剪力墙结构的连梁刚度也有一定的要求，设计规格的跨高比一般是要大于2.5，且如果是在高层建筑中使用，还需要达到5以上的跨高比；再有就是剪力墙的设计尺寸依赖建筑项目所需要的建筑的体积以及建筑物处于的高度，并且剪力墙的结构设计也十分灵活，即使是具备了同样柱体相同的受力特性的墙体，二者也可以是不相同的，可根据要求去设计，有很大程度的选择空间。当剪力墙的肢长/厚度的比值≤3 时，柱体结构的设计则要根据建筑物的需求进行制定。但是，当剪力墙的肢长与厚度的比值在3~5 之间时，设计剪力墙结构时要根据其双向受压原则进行制定。根据刚体力学的一些理论知识，可以知道剪力墙的墙体结构设计中，长度不可超过9 m，宽度与高度不可超过2 m，否则剪力墙的墙体结构将不够牢固。在设计时有几个要点需要特别注意，第一是剪力墙的数量并非越多越好，数量主要取决于如何能够发挥出剪力墙的刚度优势和抗震优势，这个跟建筑物所处的高度和其剪力墙的压力大小有关，在设计时要保持墙体结构的对称性和匀称性。第二则是要尽可能将剪力墙的布置平面化，因为剪力墙的原材料为钢筋混凝土，为了能够在承受了建筑带来的竖向压力与水平压力且保持较好的稳定性，就需要将墙体结构合理的建设在平面轴线上，使得墙体的质量与刚度中心尽可能一致，这样才能够最大程度控制和降低剪力墙自身的扭矩，保持剪力墙自身平稳时，保证建筑物的稳定性。

3 剪力墙结构设计

剪力墙的结构设计需要专业的人员来完成，其是一个系统性的工程，在这项工程中有许多的步骤以及需要详细注意的多个细节之处。为此，在设计剪力墙的结构之前，要事先将这些步骤了解清楚，并且理解各个细节，这样才能将整个设计合理化、完善化。

首先，要根据所需确定剪力墙的墙体厚度并选择合适的墙肢长度。根据之前的分析和叙述，可见剪力墙的肢长与厚度之比在不同的范围时主要是依赖于建筑项目的要求，但是剪力墙的长度还是不宜过大，否则墙体的载荷能力就会过于分散而导致所能承受的压力太小，当压力过大之时，墙体会被压坏甚至崩塌。在长度确定的情况下，需要根据跨高比大于6 的原则来确定墙体高度的具体值为多少。至于墙体厚度的选取，主要是需要考虑建筑项目所需要的刚度和稳定性的要求。一般情况下建筑项目的普通墙厚度为200 mm 时，要将剪力墙的厚度设置为200 mm。针对没有地下室的高层建筑来说，这种选择方式就不够科学化和合理化，这样制定的剪力墙的厚度与填充墙的厚度一致时，墙体的刚度与稳定性能可能就达不到要求。因此，需要考虑更为合适的设计方案，不仅要结合建筑项目的实际情况，还需要参考高层建筑设计方案来进行合理设计。

其次，连梁的设计在剪力墙中也是不容小视的。众所周知，连梁的作用是用于墙肢与墙肢之间的连接。如果连梁设计不符合规定，不但起不到墙体与墙体间的1+1=2 的作用，甚至会导致1+1＜2 的作用，进而原先设计方案中能够承受的压力，在连梁设计的失误下导致无法承受进而引发坍塌事故，给建筑公司带来极大的损失。因此，一定要重视连梁的设计并且要对设计细节更加注重。在连梁的设计中，有两个指标需要重点关注，即跨高比与截面尺寸。这两个指标和连梁的刚度是密切相关的，一旦指标满足了设计要求，连梁的刚度就能够满足设计的需求，否则将会设计出残次的剪力墙体。

最后，边缘构件的设置与各种参数的计算，在设计中也是极为重要的。从过去的例子，可以总结出当剪力墙的设计中融入边缘构件的约束，墙体的极限载荷能力被极大提升了。常用的边缘构件共分为两类，一类是约束边缘构件，另一类为构造边缘构件，它们分别都具有各自类别的优势，在实际中具体使用哪一类需要根据建筑项目的需求而进行选择。在墙体结构设计之时，各类的参数对于墙体的刚性与稳定性起着至关重要的作用，当主体结构设置的较为简单之时，就采用空间协作平面框架进行相关参数的计算；而主体结构设置非常复杂的话，就采用空间分析程序的方式进行参数计算。具体需要计算的参数为：内力、位移等等。在设计的过程中，应该遵循着简化计算的原则，带着能简化即简化的思路去设计计算框架。

4 剪力墙结构设计优化

如前所述，剪力墙体结构在布置的时候是沿着主轴的方向或者是双向。这样做的原因主要是能够更好分散建筑物带来的载荷压力和保持墙体的承载压力以及保证建筑物和墙体自身的稳定性和安全性，沿主轴方向的布置或者是双向布置可以使墙体形成一定的空间结构，这样的结构符合刚体力学的基本原理，不仅仅在抗震上有极大的应用，其抗侧能力也有不小的增大。为了增加剪力墙整体的空间工作性能，在布置剪力墙时不可过分单一，可将两个受力方向比较接近的墙体相互接近。但是因为墙体过于紧密会导致载荷作用过于集中或者是作用点有重叠，致使剪力墙的作用无法被最大程度发挥出来，因此最佳的布置剪力墙的方式是通过计算制定出分散剪力墙布置的最佳方案。当剪力墙的墙体长度过大时，可以考虑通过设置洞口的方式来优化剪力墙结构设计，将墙面分成长度相等的多段，而墙段之间则使用连梁的方式进行连接，使得每个墙段的高度与截面高度的比例≥2，这样就可以避免剪力墙的墙体太过脆弱而崩坏。抗震能力是剪力墙最强的能力之一，为了在地震来临时，剪力墙可以最好的体现其能力，在设计之初就这一问题需要进行完善的讨论和设计，设计墙肢截面高度与厚度比小于4，并且按照框柱设计架柱加密区实现全高加密，以提高剪力墙的抗震能力。

剪力墙设计中的参数计算是其中很重要的一个环节，而计算本身具有很高的复杂性，过程中一些模型的设计和算式的计算也非常之繁琐。为了能将计算进行简化，便于实际情况的使用，需要事先了解一些用于简化计算过程的基本原则以及一些模型设计后用于计算的基本原则。例如，在地震的场景中，需要计算地震来临时，地震带来的冲击波会作用的楼层最大层间位移；在进行详细的计算时，需要先以楼层的形变量为参考，并将扭转变形也计入其中，在某些情况下可以不扣除结构的整体形变。这样，在进行设计时，就能够知道高层建筑应该尽可能减少地震发生时因地震而产生的形变量；这就需要在某些关键部位增加竖向构件的刚度，而不是盲目增加剪力墙的数量或者是关注其他一些无关因素。在实际情况下，一些设计者仅仅关注细微之处，看到某一个方向的位移不足，为了满足规定所要求的标准，就一味增加该侧向的刚度，而忽略了架构整体的重比。这样做的结果最终只有两种，一种是和规范限制较为接近最终勉强满足基本要求，而另一种结果则是，一侧减重过大导致了另一侧的刚度不能够满足要求，或者因为减重过小导致了地震作用对建筑物的伤害还是太大而最终无法使剪力墙的作用发挥出来。因此，设计人员除了要设计出满足规定所要求的剪力墙结构，在设计时还需要从全局的角度出发进行设计，尽可能做到面面俱到，没有遗漏。

5 结束语

在建筑工程项目中，建筑结构设计是非常重要的一个环节，它可能决定了一个工程项目的质量，甚至是决定了工程项目是否能够成功。若在这一环节马马虎虎，不仅可能会导致施工过程中出现严重的安全事故，甚至将来会导致已经完成的项目出现坍塌事故的发生。因此，提高这一环节的设计技术，做好这一环节的相关工作，不但可以提升社会整体的生活水平质量，也能够提高工程项目的安全性和稳定性。在这一环节中，剪力墙结构设计起着至关重要的作用，由于剪力墙结构本身有着许多的特性，例如，抗震避灾、刚性强度大等等，这就使得加强剪力墙结构设计对建筑本身的结构稳定有着很大程度的辅助作用。根据前文对剪力墙的结构和相关优化设计以及应用的叙述，对未来相关项目提供一个很好的借鉴例子。今后也应该不断加强对相关工作的研究，使剪力墙的设计和优化被不断完善，紧随时代发展的趋势。