剪力墙结构设计探究

剪力墙结构设计探究

安赛男

上海中森建筑与工程设计顾问有限公司  上海市 200000

摘要：剪力墙在建筑施工中属于典型的框架体系，在维护建筑稳定性和安全性方面拥有非常明显的优势。在实际建筑施工过程中，通常情况下其施工材料主要为混凝土和钢筋结构，所以其很多工艺方法和技术都集中在这两种材料施工方面，主要目的是有效承载各种应力作用，从而防止各种应力影响和破坏整体建筑结构，为整体建筑的安全性提供有效保障。剪力墙能够有效地调节和控制不同来源和不同方向的应力作用，不但能够使建筑结构更加稳定、安全，还能够使设计方案结构功能和结构形态等方面的要求得到满足。基于此，本文就剪力墙结构设计进行简要探讨。

关键词：建筑；剪力墙；结构设计；

1  剪力墙结构的分类及作用

1.1 剪力墙结构的分类

剪力墙结构在我国建筑结构中的应用比较广泛,其类型比较丰富。在开展剪力墙结构设计工作时,设计人员应根据建筑结构的具体特点以及实际用途来选择合适的剪力墙结构。剪力墙结构如图1所示。

图 1 剪力墙结构示意图

1.1.1  壁式框架剪力墙

壁式框架剪力墙在受力表现上与框架结构相似,但剪力墙的洞口较大,墙肢刚度较弱,连梁强度较强。由于壁式框架剪力墙的梁柱厚度较小,所以其安装更加灵活,既支持单独设置,也支持与其他墙体结合设置。目前,该类剪力墙是我国剪力墙结构设计中应用最为广泛的类型之一。

1.1.2  整体剪力墙

整体剪力墙是建筑结构的主体结构,所以在具体的设计方案中,墙面大多没有洞口,其功能与传统悬臂结构的功能相似。

1.1.3  联肢墙

联肢墙是由很多梁连接起来以有效增强承重性能的剪力墙。联肢墙的特点是洞口多、洞口尺寸较大等。在受力表现上,连接梁和墙肢是最主要的受力点,二者发挥着重要的支撑作用。此外,在大部分楼层中,墙肢没有反弯点,因而具有很强的稳定性。

1.2 剪力墙的作用

剪力墙，又称为抗震墙、抗风墙，顾名思义其在应对地震或强风侵袭时具有良好的力学荷载性能。剪力墙通过钢筋与混凝土将墙体与楼板紧密整合形成完整且坚固的受力整体，并通过钢筋混凝土板与混凝土墙之间的用力传递有效负荷各类地震或强风给建筑物带来的水平方向与垂直方向的负载，提高建筑结构的稳定性与安全性。传统框架结构中梁与柱的分离导致墙体顶面与框架梁底存在缝隙，影响框架结构的整体性，使得框架结构无法传递上部荷载，影响建筑结构的载荷能力与安全性能。剪力墙结构则是利用钢筋混凝土将墙体与楼板整体浇筑，从而具备了框架结构所缺失的整体简洁性、空间作用与抗侧力能力。在抗侧力方面，剪力墙通过墙体与楼板之间的用力传递提高建筑物对水平方向压力与竖直方向重力的负载能力，以良好的侧向刚度减少强风或地震条件下建筑物的水平侧移或倾斜。但剪力墙结构也存在一定的局限性或不足，例如，剪力墙结构的空间布置限制条件或要求较高，空间分配与使用存在诸多制约因素。同时，由于墙体与楼板的整体性浇筑使剪力墙结构的重量较大，影响了建筑结构的灵活性。

2 剪力墙的设计原则分析

高层建筑之所以采用剪力墙结构的核心目的在于提升建筑基础结构的安全性和稳定性，鉴于此，在设计剪力墙方案的过程中，一定要考虑其位移限制情况，同时在设计的过程中还要考虑框架结构的作用。因此，在设计的过程中，要求剪力墙的位移限制一定要满足工程项目实际需求，同时也要尽量减少剪力墙数目。

2.1楼层最小剪力系数的调整原则

在实际的设计过程中，要最大限度减少剪力墙的数量，同时要进一步强化剪力墙的整体结构，如可以通过提升剪力墙水平方向的刚度和控制剪力墙的层间系数等方式来对其稳固性能进行优化。根据建筑结构的实际情况对连梁的跨度比进行合理控制，避免水平荷载产生的弯矩对结构造成剪切变形，进而有效避免结构裂缝的产生。同时，要充分满足短肢剪力墙底部的第一振型结构在地震影响下倾覆力矩不超过四成的要求。这样设计的优势包含以下几方面：①可以最大限度降低建筑结构主体的重量；②可以有效节约工程造价成本；③最大限度减少地震对高层建筑产生的危害。

2.2楼层层间最大位移与层高之比的调整原则

在开展剪力墙设计的过程中，一定要充分考虑楼层之间的跨度数值和楼层之间的高度比值。通过计算上述比值，可以精确计算出地震条件下建筑主体结构的位移情况，然后在此基础上对剪力墙结构的规格进行优化和调整。通过上述设计，即可以在不减少弯曲变形的前提下将其构成一个整体。在高层建筑基础结构的设计过程中，除了要考虑楼板的扭转数据之外，还要参考其剪切变形情况。其中剪切变形数值和建筑物的垂直构件数量有着直接的关系，但是如果垂直构件的布置位置不合理，也可能会对扭转数据产生影响，进而导致建筑层间位移数值不符合设计要求。由此可见，在进行剪力墙设计的过程中，一定要充分做好层间位移比和层高比的优化工作。

2.3数量确定原则

剪力墙的数量要适当，而不是越多越好的。如剪力墙数量过多，会使自身所需承受的力变大，进而对建筑整体结构产生不利影响，且容易遭到破坏，浪费的材料也更多。因此为了减轻自身所需承受的力，应在满足建筑结构设计要求的前提下尽量少采用剪力墙。

2.4 样式适宜原则

剪力墙结构的类型多种多样,因此,在开展相关设计时,设计人员通常可以同时制订多种设计方案。但从经济性、实用性等角度考虑,在实际工作中,设计人员应当根据建筑物的高度、受力情况来选出最合适的剪力墙结构方案。传统的现浇剪力墙结构大多为构造配筋,其受力性能较低,所以并不适用于层数较少的建筑。此时,设计人员便可以采用短肢剪力墙结构,并通过对结构定点周期、位移等因素的科学设计来合理减轻墙体自重,进而有效提高建筑结构的稳定性和安全性。而对于层数较高的建筑物,设计人员则需要采用传统的现浇剪力墙结构来提高建筑结构的稳定性和安全性。这是因为如果继续采用短肢剪力墙结构,那么建筑结构的整体刚度就会降低,进而影响建筑结构的安全性。

3 工程概况

大名城蓝湾E01A-05地块位于上海自贸区临港新片区FXG1-0001单元E01A街坊E01A-05地块。基地东至规划正旭河西侧绿化带，南至万水路，西至正旭路东侧绿化带,北至芦五公路南侧绿化带。本项目总建筑面积为142870.38m2，建造12栋住宅，商业配套，地下车库及P、K站等建筑物，其中1~11号楼为住宅楼，12#13#楼为保障房及配套商业。本项目抗震设防烈度为7度，建筑场地类别为Ⅳ类，地面粗糙类别为A类，基本风压为0.55KN/m2(50年重现期),基本雪压为0.20KN/m2(50年重现期)。10#11#为装配整体式剪力墙结构，地上20层，地下2层，房屋高度为60.05m，地上抗震等级为三级，抗震设防分类为丙类，地基基础设计等级为甲级，基础采用桩筏基础，嵌固端为地下室顶板。

本人负责10#11#楼的结构模型计算及各阶段施工图的设计，10#11#楼户型一致，设计要点如下：

3.1 结构竖向构件的布置

10#11#楼为两梯四户的户型，电梯位于建筑物的两侧，电梯之间通过长为12m,宽为2m的连廊连接，连廊与主体之间的区域为开洞。10#11#楼入户门处考虑到使用功能的要求，在入户及电梯的角部布置4根截面为600x600的混凝土柱子，连廊区域考虑到钢筋的锚固及稳定等，布置2根400x500的混凝土柱子。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》8.1.3条框架部分承受的地震倾覆力矩不大于结构总地震倾覆力矩的10％时，按剪力墙结构进行设计，其中的框架部分按框架-剪力墙结构的框架进行设计。10#11#楼主楼对应的地下区域为车库，车库区域对于竖向构件的边距有净宽要求，故地下区域使用了柱砖墙的转换结构。10#11#楼是装配整体式剪力墙结构，为减少预制墙体的种类，预制墙体的墙肢长度选取了以200mm或400mm为增量的模数，预制墙体的总墙长也有固定长度的要求。这些要求对模型的调整了有了一定程度的限制。

3.2 结构整体指标的调整

10#11#楼经过初步设定嵌固端为地下室顶板计算后发现存在以下问题：a.地下一层与首层侧向刚度比小于2。b.在连梁不折减的情况下存在个别位移大于1/1000的情况。按照规范要求，出现a问题时，地下室顶板是不可以作为嵌固端的。为解决此问题，常见思路为加强地下一层的刚度或减少首层的刚度。根据建筑平面布置图及上部竖向构件的布置，最终选择在地下一层增加一定数量的墙体以加强刚度。按照规范要求，出现b问题时，常用的思路有加强位移最大处的刚度或减小位移最小处的刚度。由于Y向的位移大于1/1000，故选择加强Y向的竖向构件的刚度并适当减小X向竖向构件刚度来解决此问题。此外，此项目位于上海，上海地方规范要求去掉地下室底层后首层位移要小于1/2500。

4 建筑结构设计中的剪力墙结构设计

4.1 优化设计

从绿色建筑的层面出发，在针对10#11#楼的剪力墙结构进行设计的过程中，考虑到设计过程中的各类影响因素较多，所以在实际的设计过程中，要考虑不同设计变量和建筑结构整体性能之间的相互关系。因此，可以通过不断对各设计参数进行优化和调整来实现绿色建筑设计目标。鉴于此，10#11#楼剪力墙结构设计过程中，一定要充分做好分析和校对工作，然后在此基础上进行综合化设计。如可以通过对10#11#楼剪力墙结构的数目和布置方式进行优化等方式来迎合绿色建筑设计理念。通过该方法，一方面可以有效减少建筑工程项目施工阶段的碳排放数量，另一方面还可以有效提升10#11#楼结构的稳定性和安全性。同时，从绿色建筑角度出发针对项目的剪力墙结构进行优化设计的过程中，要针对其整体的布局结构和数量进行明确。如可以通过保持剪力墙刚度数值不变，楼梯间和电梯间数值不变以及适当减少内部剪力墙数目的方式来提升其稳定性。

4.2 二次优化设计

为了进一步对本项目剪力墙进行优化，需要在原来模型优化设计的基础上，对剪力墙的结构设计和数目设计进行整体优化。在原来的模型之中，剪力墙结构的布置类型以及数量基本上都保持不变，仅仅针对标准层中的剪力墙结构厚度进行优化设计。如可以应用四个不同类型的模型来进行设计。在这四个模型下剪力墙的厚度数值如下：250mm、300mm以及200mm。在四个模型之中，其中厚度为250mm的模型为原模型结构，根据计算分析结果可知，随着剪力墙结构厚度的降低，其剪力墙的结构刚度数值也发生变化，二者呈现正相关关系。同时，在该模型下，施工过程中产生的能源消耗也在不断下降。但是建筑物整体的结构性能以及抗震性能均符合施工要求。举例来说，和原来的模型进行对比分析后发现，如果剪力墙的结构厚度为200mm，其自身的碳排放数量较低。由此科技推断出，通过科学减少剪力墙的厚度可以实现绿色施工的目标。此外，根据上述分析可知，通过对剪力墙结构体系以及整体的布置形式的优化，发现剪力墙依然存在一定的设计优化空间，因此可以对其开展二次优化工作。在进行二次优化的过程中，可以从剪力墙的结构厚度以及材料强度入手进行优化。具体的优化方法如下：首先，根据工程设计方案规定的范围，适当减少内部和周围部分的前提，特别是缩减轴压较低的墙体的厚度。如设计人员可以利用先进的SETWE软件进行建模来对墙体的厚度进行优化设计。其次，通过对模型参数的优化设计，可以确保建筑物整体抗震性能符合施工要求。应用以上优化方法可以获得模型三，在模型三之中，剪力墙的设计方式基本上和新模型一致，由于剪力墙结构的厚度以及对建筑的碳排量和性能的影响，一般采用200mm的标准层剪力墙结构，因此，在试验结果的基础上，对不符合设计要求的墙体和连梁，应采用C30、C40、HPB335、HPB400加固。最后，经过综合分析后发现，通过对高层建筑剪力墙结构的布置方式和数目进行优化，至少可以减少3%左右的碳排放数量，如果只对剪力墙结构的厚度进行优化，即将其厚度数值从原来的250mm，减少到200mm，至少可以减少15%左右的碳排放数量。由此可以基本上得出，科学的优化设计方案可以有效减少工程项目施工过程中产生的碳排放数量。在针对高层建筑剪力墙结构进行设计的过程中，要综合考虑多方面的因素：第一，需要充分考虑建筑物整体的功能需求；第二，要根据施工设计要求和规范严格施工。

5 注意事项

a.本工程使用预应力混凝土管桩，预制管桩桩顶与承台的连接详图详见图集《预应力混凝土管桩》，且在主楼与地库交界处高差较大区域，对个别预应力混凝土管桩的填芯深度做了调整；b.地下室柱转墙的转换结构处，为满足承载力要求，增加了转换梁的梁高并做了上翻处理，在梁配筋图中，转换梁的箍筋采用直径为12mm的钢筋全长加密并加配直径为16mm的抗扭钢筋；c.地下室夹层区域，为满足净高要求，夹层的梁高大部分为350mm,为满足局部区域机电专业所需的净高要求，对个别梁高及梁顶标高进行了调整，夹层区域的梁箍筋最小间距减小至85mm；d.10#11#楼主楼与人防区域交接，在绘制施工图的过程中，与人防负责人及时沟通，解决人防与主楼交接处楼梯及集水井的做法。

结束语

综上所述，在建筑结构设计方面，剪力墙结构的功能优势非常明显，实际应用较为广泛，其也是影响建筑结构安全稳定性的重要因素。基于此，在设计方面需要重视与实际情况相结合，严格依照规范要求，加强各参数的合理设计。尤其需要注意剪力墙结构的关键部位，选择合理的设计方案，加强平面设计等细节控制，充分发挥出剪力墙结构的应用优势。

参考文献：

[1]周浪.基于抗震设防烈度的高层住宅剪力墙结构优化设计[J].湖北职业技术学院学报,2017,20(02):103-107.

[2]彭敏,杜波,赖虹.高层住宅钢筋混凝土剪力墙结构优化设计研究[J].江西建材,2017(17):126,129.

[3]张冲.基于框架剪力墙结构建筑施工技术在建筑工程中的应用分析[J].中国室内装饰装修天地,2018(10):103-105.

[4]曹昌洪.高层住宅建筑框架剪力墙结构的施工技术应用分析[J].2021,中国房地产业,2021(02):138-140.