剪力墙结构设计对策

1引言

随着生活水平和审美水平的逐渐提高，越来越多的人对其身处的建筑空间尤其是居住空间的舒适性、美观性和其平面布置的合理性、可利用率提出了更高的要求。以往住宅结构体系选型中经常采用普通框架结构和框架-剪力墙结构，其突出隔墙的柱构件对建筑空间的划分和使用会产生较大的限制，既不美观也不利于空间利用，已明显不能满足人们对建筑空间功能性和美观性的较高需求[1]。而剪力墙结构既能够保证建筑结构具有良好的安全性，又能够使建筑室内墙面更加平整、空间布局更加科学合理，因此当前高层住宅中已更多地运用了剪力墙结构体系。剪力墙的形变和受力特征，与框剪结构基本相似，而它相对于框剪结构的内力分配及刚度分配却更加科学合理，这样的结构形式可以促使建筑工程取得更好的功能效果及经济效果。以下就剪力墙结构设计中的难点和要点谈几点笔者的体会。

2剪力墙的优化布置

剪力墙应按建筑平面的2个主轴方向或建筑单元的主轴及其垂直方向完成双向布置，避免出现仅单向有墙的布置形式，针对不同的建筑平面形式可以有以下布置方式[2]。1）常见的矩型、T型和L型平面，可根据2条主轴线方向双向布置；2）J角型平面和Y型平面，可根据自身3个轴线方向和其相应的垂直轴线方向分别双向布置；3）弧形平面、正多边形平面和圆形平面形式，可根据径向和环向分别双向布置。建筑工程平面中剪力墙的布置，要简单规则且应始终遵循双向和对称均匀的原则，内外剪力墙尽量相交、对直，避免一字形剪力墙的出现，应尽可能地促使建筑结构的质量中心与墙体刚度中心重合，以达到降低扭转影响的目的。为实现既能保证建筑工程剪力墙的承载能力和抗水平力能力，又尽量增大建筑的可使用空间且节约造价的目的，应控制剪力墙的平面布置数量和间距，即应有效控制剪力墙结构的抗侧力刚度，其数值应满足规范位移要求但也不可过大，使剪力墙结构拥有更加科学、合理的侧向刚度。若想要判断剪力墙结构侧向刚度以及剪力墙数量是否合理，实际工作中可以根据公式（1）计算：T=（0.04～0.05）n（1）式中，n为剪力墙结构层数；T为建筑结构自振周期。通过式（1）计算得出的T值可以和通过结构计算软件建模计算的自振周期T1进行对比。若T＞T1，就说明建筑剪力墙数量过多，这时就需要相应地减少剪力墙的数量或是在较长剪力墙中部合适位置设置结构洞口，通过这种方式来降低剪力墙的刚度大小；相反的情况，就需要适当地增加剪力墙的设置数量。如图1所示。

3确定剪力墙的厚度

抗震设计的剪力墙结构中，剪力墙的平面尺寸要求为：一二级抗震等级的剪力墙，其底部加强部位厚度应不小于剪力墙层高或无支长度的1/16且不小于200mm，其他部位则不小于1/20且不小于160mm；三四级抗震等级的剪力墙，其底部加强部位厚度应不小于剪力墙层高或无支长度的1/20且不小于160mm，其他部位则不小于1/25且不小于160mm。例如，某建筑工程处在抗震设防烈度9度区，属于一级抗震的剪力墙，不考虑层高因素，底部1、2层为加强部位，剪力墙的厚度至少为200mm，而3～12层剪力墙厚度至少为160mm。

4剪力墙长墙肢的处理

剪力墙结构应保证有一定延性[3]。就细高形状的剪力墙而言，它往往极易成为具有弯曲破坏特性的延性剪力墙，可以有效避免受到脆性剪切破坏的影响。如果墙的长度相对较大，那么为保证每段墙高宽比例大于2，就应该运用开洞的办法把较长的墙分割成多段小而且具备均匀性特点的独立墙段。如果长墙段无法人为分割，且其他剪力墙墙段的长度又较小时，小墙段受力较小，墙体配筋也少。如果小墙肢没有充足的配筋作为保障，大震时将使得整个墙面结构受到较为严重的破坏。为有效防止这一状况的出现，对于长度大小8m的墙肢，设计人员可以采用2种措施来实施处理：一是开施工洞，这种方法就是指在实际施工过程中在墙上留出洞口，当建筑工程施工已经结束时砌填填充墙，把长墙分为若干个短墙肢；二是开计算洞：这种方法指的是在计算结构过程中设置洞，处于正式施工时依旧是混凝土墙，利用此种计算方法，可强化其他小墙肢配筋，一般情况下适合在工程地下室外墙等不易进行开洞的工程中使用。

5设置边缘构件箍筋

剪力墙边缘构件分为约束边缘构件和构造边缘构件，其中约束边缘构件配筋区域又分为“阴影部分”及“非阴影部分”。现行规范中，对“阴影部分”的纵向钢筋与箍筋或者拉筋的配置均有明确的规定，设计时容易理解、执行。而“非阴影部分”只要求其箍筋配箍特征值是“阴影配箍特征值的1/2，箍筋或者拉筋沿纵向间距及纵向钢筋需怎样配置并没有做出明确要求，导致当前工程设计中的做法相对混乱，建议纵向钢筋可以在箍筋交叉点位置按照剪力墙纵向分布筋进行设置[4]。此外还需注意，为充分发挥约束边缘构件的作用，在剪力墙边缘构件范围内箍筋的长短边比值不应超过3，邻近的2个箍筋间应相互搭接。

6剪力墙的延性设计

常见的剪力墙结构中，经常出现连梁的高度较高而刚度较大，连梁中往往仅配置普通的抗剪箍筋和受弯纵向钢筋，其延性较差。对于这种连梁，应用斜向交叉配筋可有效提高连梁的抗剪性能和延性，然而由于受到造价等因素的影响，其在实际工程中应用的相对较少。设计中应该合理控制剪力墙墙肢的长度大小，将长墙切割为开洞连肢墙，在洞顶位置设置跨高比不小于5的弱连梁，建筑窗台底部和窗顶墙体使用砌体填充。通过弱化处理，剪力墙和连梁都将拥有较好的抗震耗能能力、更大的延性以及比较轻的自重，而且钢筋的实际使用量也相对较小。

7剪力墙设计中的几个原则

设计剪力墙结构时应遵守以下设计原则：剪力墙墙肢应简单规则，剪力墙结构侧向刚度不应过大；剪力墙应该尽量布置在恒荷载较大位置、平面形状变化处、楼梯位置；在平面布置时应尽量保持对称、均匀，以降低结构扭转，无法保证对称时，需要使建筑结构刚度中心与质量中心尽量重合。在纵向布置上尽量保证剪力墙贯通建筑全高，从而使建筑结构上下刚度均匀且连续；墙上的洞口尽量设置在墙体的中间部位，不宜将其设置在剪力墙的端部或者柱边。对于高层建筑，不可运用全部短肢剪力墙结构形式，如果短肢剪力墙相对较多，那么需要布置普通的剪力墙，进而形成普通剪力墙和短肢剪力墙共同承担水平力的剪力墙结构。如果在剪力墙结构中墙数量较少且墙肢较短，则为防止水平荷载影响下楼盖平面内发生弯曲变形，需要对剪力墙的最大间距进行严格控制，注意剪力墙的数量和结构高度、结构体型之间的内在联系。

8结语

在建筑行业不断发展的形势下，怎样在设计方面同时满足建筑样式的创新、功能需求的不断提高以及结构的安全性，已经成为行业未来发展的主要目标及方向。建筑结构设计中剪力墙结构的设计是一项相对繁琐并要求细致耐心的工作，具体实践中需要设计人员透彻理解各设计规范中剪力墙结构相应条款的编制原理，不断提升剪力墙工程的设计水平。

作者：王心宇 单位：杭州嘉和结构设计事务所有限公司