刍议建筑剪力墙结构设计

摘要：本文阐述了剪力墙抗震设计目标，分析了剪力墙结构的平面布置及概念设计，探讨了剪力墙结构优化设计措施，供同行参考。

关键词：建筑；剪力墙；结构设计

随着国民经济与科学技术的飞速发展，人们的生活水平得到显著的提高，相应的，对于生活质量的要求也越来越严格。房屋建筑是人们生活中必不可少的，其施工质量的好坏直接影响着人们的生命健康与财产安全。剪力墙体系结构是建筑施工的重要组成部分，其设计的好坏，很大程度上影响着整个建筑施工的质量，决定着建筑施工投资成功与否。当前，人们不断追求新颖与潮流，为林立的建筑物带来了崭新的面貌，但对于设计人员来说，提出了更高的要求。剪力墙体系结构是一种混凝土材质的土墙结构，在高层建筑中代替了原来的框架结构中的梁柱，主要作用是承受竖直和水平方向的各种荷载引起的内力，对于其他结构的水平力也可以很好地控制。目前，剪力墙结构被广泛的应用于高层建筑中。剪力墙为高层建筑物提供的抗剪强度与刚度都很大，可以有效的保证建筑施工的质量。

1 剪力墙抗震设计目标

剪力墙的抗震设计目标是指剪力墙在遇到不同程度的地震时，对建筑结构、建筑构件的损坏程度及人身安全的综合要求。根据《建筑抗震设计规范》，将抗震设计的目标与3种强度的地震对应，分为三个级别，具体描述如下：

第一种级别：在正常荷载使用或遭遇多遇地震（也称小震）作用下，剪力墙不受损坏或不经修理仍可使用；第二种级别：当遭受中等强度地震作用时，剪力墙遭受一定的损坏，经一般修理或不经修理仍可使用；第三种级别：在遭受罕遇地震作用下，剪力墙不能够倒塌或发生危及生命的严重损坏。

2 剪力墙结构的平面布置及概念设计

在结构设计中，为了做到安全和经济，剪力墙结构的侧向刚度不宜过大，可将其楼层层间最大位移与层高之比控制在1/1100～1/1300之间。对于高层住宅，底部剪力墙截面总面积与楼面面积之比大约在6%～ 8%，剪力墙的体积与总建筑面积之比大约在16%～20%。剪力墙平面上分布要力求均匀，使其刚度中心和建筑物质心尽量接近，以减小扭转效应，必要时通过改变墙肢长度和连梁高度调整刚心位置。住宅建筑中往往会有很多短肢剪力墙，应结合建筑平面，采用L，T，Z，十字形等截面形式，且翼缘长度大于其厚度的3倍。一字型剪力墙抗震性能较差，应尽量避免。剪力墙墙肢截面高厚比宜大于5，墙肢之间的梁净跨宜小于6.0 m，否则梁高会太大，影响室内净高。为满足“筒体和一般剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50%”的要求，应使部分墙肢截面高厚比大于8，使之成为一般剪力墙，非加强区则可视情况将墙肢长度适当减小。振动台模拟地震试验结果表明，建筑平面外边缘及角点处的墙肢、底部的小墙肢、连梁等是短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节。对这些薄弱环节，应加强概念设计和抗震构造措施。

2.1 当有扭转效应，会加剧建筑平面外边缘及角点处的墙肢已有的翘曲变形，使其首先开裂；在水平地震作用下，高层短肢剪力墙结构以整体弯曲变形为主，底部的小墙肢承受较大的竖向荷载，破坏严重，尤其一字形小墙肢破坏最严重。为了尽量消除扭转不规则，

可增加建筑物周边墙肢长度或连梁高度，这样能明显增大结构的抗扭刚度。另外，应增大这些部位墙肢纵筋和箍筋的配筋率，加强边缘构件配筋，严格控制轴压比，以提高墙肢的承载力和延性。

2.2 在短肢剪力墙结构中，由于墙肢刚度相对减小，连接各墙肢间的梁已类似普通框架梁，而不同于一般剪力墙间的连梁。因此，在计算时，对跨高比不小于

5的梁应按框架梁考虑，连梁的刚度折减系数也不宜太小。

特别应注意的是，设转角窗（阳台）会降低结构的侧向刚度和抗扭刚度，且外墙内力显著增大，开洞的角部各构件扭转效应明显，因此应尽量避免。必须设置时，宜作如下处理：

2.2.1 转角处沿窗线设置挑梁并相交。

2.2.2 窗边2 道墙体应避免采用单片剪力墙和短肢剪力墙，适当加大墙肢配筋，并控制轴压比。

2.2.3 靠窗边的墙端暗柱配筋加强，尤其是箍筋加强，必要时暗柱可按约束边缘构件配筋，或在建筑允许的情况下，靠窗边的墙端设端柱。

2.2.4 将该房间的楼板加厚，双层双向配筋加强。

2.2.5 板内设斜向暗梁（或斜向拉结筋），以连接窗边两墙体，或在建筑允许的情况下，直接设斜向连梁。

2.2.6 转角窗窗下填充墙设置构造柱。

3 剪力墙结构优化设计措施

3.1 剪力墙结构设计的经济分析

剪力墙结构的坑侧刚度大，结构周期小，地震响应大；剪力墙结构墙体越多，建筑物的重量越大，地震反应也大，会造成浪费；另外，剪力墙结构墙体多为构造配筋，如果配筋太低，则结构延性差。刚度较大的结构一般震害较轻，但是，一般情况下，建筑物的刚度越大，工程费用越高。因此，剪力墙结构应满足规范中的关于结构水平位移和地震力的要求，但如果要做到安全适用，经济合理，就必须在实际工作中有所判断，将结构水平位移和地震力控制在合理范围内，然后检查结构的内力和配筋。

3.2 优化结构设计，降低工程造价

3.2.1 优化结构设计，使结构受力均衡，技术应用得当，整体安全可靠度一致，任一结构都能同时发挥其最大作用，这样设计出的结构才能达到既经济，又合理的目的。

从结构设计整体布局来看，在水平荷载作用下，剪力墙的暗柱配筋往往是构造配筋，暗柱断面的确定与剪力墙的布置有密切的关系，而构造配筋与暗柱断面又有着一一对应关系。由于剪力墙布置的差异，一片剪力墙两端暗柱的断面可能差6倍～10倍。配筋也相应差6倍～l0倍。而剪力墙在不同方向的水平荷载作用下是具有对称性的。这样设计出的结构就会造成极大的浪费，因此，首先调整剪力墙的布置，尽可能使之对称这样即节省了造价，又增加了结构安全性。

3.2.2 造成结构浪费往往是由于设计人对某种结构概念理解不透而导致的。例如：某18层综合楼，由内筒外框组成结构。外框柱距7.2m，外框与内筒距离9 m设计人员将外框边梁做成l000mm×750mm，目的是增加边梁的抗剪能力，引入剪力滞后的概念，加大外框结构的刚度。实际上，该工程由于外框柱距 7.2mm，很难产生剪力滞后效应，边梁采用l000mm×750mm与采用350mm×750mm对外框的变形是相同的，不会增加结构的刚度，反而会因为增加重量，加大结构自身的负担，对结构不利。

4 结束语

综上所述，在市场竞争日益激烈，如何减少用钢量、降低造价成为竞争成败的关键。在进行高层建筑剪力墙的经济性设计时，应充分考虑结构布置和剪力墙的形式、剪力墙的厚度、配筋率、结构自重及刚度等多种相互制约因素的影响。因此，要加强剪力墙优化概念设计，重视影响结构技术经济的因素，考虑综合效益，以达到降低工程造价和材料消耗量的目的。

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