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摘要：随着当前我国社会经济建设的不断发展，建筑工程的规模与数量也在不断的增加。在建筑工程的建设当中，只有确保工程的高质量，才能为社会创造一个更加良好的生活生产环境，提高人们的生活质量，提高劳动生产效率，为社会创造更多的效益。由于钢筋混凝土剪力墙可结合建筑隔墙灵活布置，和框架结构相比，可以解决框架梁、柱的外露凸出造成墙面有棱角的问题，在空间使用上更加美观，而且剪力墙结构侧向刚度大，耗能能力为同样高度的框架结构的十、二十倍，近二十多年更被广范采用。剪力墙结构在建筑结构设计中是一种十分重要的结构形式，设计的是否合理，对工程的质量和造价有着直接影响，因此，建筑工程设计中一定要重视剪力墙结构的设计工作，设计过程中要注重掌握剪力墙结构的基本概念与分类、剪力墙结构的部分计算技术指标、优化策略以及实际应用中出现问题的解决，从而使剪力墙结构平面布置更加规则简单，避免或减少竖向薄弱层的出现，充分发挥剪力墙结构更好的抗震性能，在工程造价上更经济合理，取得更好的社会效益。
关键词：剪力墙；结构设计；建筑结构设计；应用
绪论
为了做好剪力墙结构的设计，需要了解的就是剪力墙结构的基本概念以及当前常见的剪力墙结构设计分类,掌握好整体计算技术指标，注重设计过程中的优化，处理好设计过程中相关应用问题。
一、剪力墙结构的基本概念与常见分类
1、剪力墙结构的基本概念
所谓的剪力墙指的是用钢筋混凝土墙板来替代框架结构中的梁柱，承担各种不同荷载引起的内力，并能有效控制结构的水平力。这种用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构称为剪力墙结构，纵横向的主要承重结构全部为结构墙的结构。当墙体处于建筑物中合适的位置时候，它们能形成一种有效抵抗水平作用的结构体系，还能对空间起着分割作用。剪力墙结构在高层建筑当中被大量的应用，高度一般与整个建筑的高度相等，自基础顶至屋顶，高达几十米或100多米，其宽度要根据建筑平面的布置确定，一般为几米到十几米。相对而然，它的厚度比较薄，较常见的厚度有160mm、180mm、200mm、250mm、300mm、350mm、400mm等等。因此，结构墙在墙身平面内的抗侧移刚度比较大，其墙身平面外的刚度却很小，发生的变形基本为弯曲变形。所以建筑物所受的大部分水平作用或者水平剪力通常被分配到结构墙上，这也是剪力墙名称的由来。事实上，剪力墙这个叫法是不太合适的，很多高层设计相关的书籍中更确切的称其为结构墙（StructuralWall）。
2、剪力墙结构的常见分类
剪力墙应具有延性，细高的剪力墙（高宽比大于3）容易设计成具有延性破坏的剪力墙。当墙的长度很长时，可通过开设洞口将长墙分成长度较小的墙段，使每个墙段成为高宽比大于3的独立墙肢或联肢墙，分段宜较均匀。用以分割墙段的洞口上可设置约束弯矩较小的弱连梁（其跨高比一般宜大于6）。此外，当墙段长度（即墙段截面高度）很长时，受弯后产生的裂缝宽度会较大，墙体配筋容易拉断，因此墙段长度不宜过大，规定为8m。剪力墙实际上是一有洞口的悬臂构件，它的受力情况将随着洞口的大小、形状和位置的不同而变化，在通常矩形洞口的位置接近横向尺度中部的时候，其受力特点主要决定于洞口的大小，据此可将剪力墙分为不同类型，每种类型有不同的力学特性，分别是整体墙、小开口整体墙、双肢剪力墙和壁式框架。墙面不开洞或者开洞面积较小（洞口系数小于15%），且孔洞间净距及洞边至墙边的净距大于洞口长边尺寸时，可以忽略洞口的影响，作为整体墙考虑，平面假定仍适用，截面应力按材料力学公式计算，受力变形属于弯曲变形；当洞口较大（洞口系数在15%至30%之间）时，平面假定得到的应力应加以修正，变形基本上属于弯曲变形；如果洞口面积更大（洞口系数在30%——50%之间），此时墙肢截面应力离平面假定所得的应力相差较远，它的变形已由弯曲型逐渐向剪切型过渡。双肢剪力墙，连梁对其受力特性的影响显著。连梁弱而墙肢强，梁对墙肢的约束小，各墙肢如同独立的悬臂构件，弯矩基本上由独立墙肢承担，连梁的弯矩很小，结构的变形为弯曲变形，连梁强而墙肢弱，则梁对墙肢的约束大，水平荷载作用下，墙肢在与连梁的连接处转角很小，墙肢的变形为每层之间的双曲率弯曲，各层墙肢都有反弯点，结构的总体侧移为剪切型；当洞口的尺寸很大（洞口系数大于50%），虽然还可以按联肢剪力墙进行计算，但是其受力情况接近于框架，常称为壁式框架，变形曲线接近于剪切[1]。
二、剪力墙结构设计的部分计算技术指标
1、楼板计算假定的选取
结构分析是结构设计的前提，是结构设计工作的依据，规范也明确提出所有计算机计算结果，应经分析判断确认其合理、有效后方可用于工程设计[2]。结构计算的参数确定，是设计关键点，直接影响结构的计算结果的准确性，所以合理确定计算参数是结构设计的前提。理论上任何结构和构件受力后都会有变形，没有绝对的刚性楼板，所谓的刚性楼板假定只是工程中的一种简化和假定。对整体结构进行规则性判别、结构体系判别等其他指标判别时，应采用刚性楼板假定。剪力墙结构设计的主要的技术指标周期比、扭转位移比、层间位移角、剪重比，结构的刚重比、结构的抗侧刚度等的计算都是在刚性楼板假定状态下进行计算的，并对其计算结果进行判别。如果结构总体指标计算不采用刚性楼板假定，计算结果对整体指标判别的意义降低，可作为判别的参考。整体指标计算通过后，对构件梁、楼板、柱、剪力墙、连梁进行设计计算时，一般应去掉刚性楼板假定，根据实际采取弹性楼板假定，特殊情况可根据楼板实际情况调整。
2、有效质量系数及振型数
剪力墙结构设计计算一般采用振型分解反应谱法，其计算精度与振型的参与数有关，振型数多，计算的精度高，计算振型个数与结构的复杂程度、层数等有关，计算中不需要考虑所有的振型数，一般可以取振型参与质量达到总质量的90%所需的振型数，少于90%时，要增加计算的振型个数。振型数一般取非藕联时不小于9个，藕联时不小于15个，多塔不小于塔楼数的9倍就基本能满足规范要求。
3、楼层的位移比和周期比
设计过程中楼层的位移比的控制，是针对整体结构规则性的控制，关注的是结构实际存在承受的的扭转效应，应取单向地震作用下，按规定水平力计算并考虑偶然偏心影响的计算结果[3]44。当其大于1.2时，结构为扭转不规则，根据扭转位移比来判别结构的不规则类型。当位移比数值较大的时候，应优先考虑调整主要抗侧力构件的布置，减小扭转效应。周期比是对结构整体扭转刚度的控制，是对结构抗扭能力的判断。当某个振型的平动成分大于50%时，该振型为平动为主的主振型T₁，某振型的扭转成分大于50%的就为扭转为主的振型Tt，规范规定结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T₁的比值，A级高度的时候Tt/T₁应不大于0.9，B级高度的Tt/T₁应不大于0.85。周期比过大，说明结构的抗扭能力比较弱，抗侧刚度过于集中在中部，周边的抗侧刚度较弱，结构受到扭转作用时，容易发生扭转破坏，结构设计的时候应尽量避免，一般进行调整的时候，控制扭转振型宜最早出现在第三振型，第一振型和第二振型为平动振型为好。
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4、剪重比
剪重比在结构设计中是一个重要的设计指标，出于安全考虑，规范提出了对结构总水平地震剪力及各楼层的水平地震剪力最小值的要求，规定了不同烈度下的剪力系数，是最低要求，是结构后续抗震计算设计的前提，即意味着只有先调整了剪重比满足要求，然后才能调整构件的内力、位移等等，只要剪重比有调整，就要重新计算结构在水平地震作用下的内力、位移等。剪力墙结构设计也不例外，也要遵守规范要求，满足剪重比符合规范的规定。当剪重比不满足的时候，需要改变结构布置或者调整结构总剪力和各楼层的水平地震剪力使之满足要求，减小周期折减系数和加大地震力调整系数都可以达到提高地震剪力的目的，宜优先采用加大地震力调整系数[3]154。调整结构布置的时候，宜自下而上，沿结构的大多数楼层或者全高加大竖向构件的厚度或长度来增强结构的侧移刚度，才能有效的减小结构基本周期，增大地震水平力。当底部总剪力不满足要求时候，说明结构的总体侧向刚度偏小，结构各个楼层的剪力都需要按不小于结构底层的剪力调整系数进行调整，不能只调整不满足最小剪力系数的楼层；当底部总剪力满足要求，而其他个别楼层的地震剪力标准值不满足要求时，可只调整不满足要求的楼层；对于薄弱层，剪重比调整时要在楼层剪力标准值乘以不小于1.15的放大系数，然后再满足最小剪力系数要求。
5、刚重比
结构的整体稳定性是高层建筑设计的基本要求，在水平力作用下，剪力墙结构重力荷载在水平作用位移的效应下引起二阶效应（重力P-△效应），当侧向刚度不满足的时候，应考虑二阶效应对结构构件的不利影响，使二阶效应产生的内力、位移增加量不宜过大，控制在一定的范围内，以免引起结构的失稳、倒塌。规范上限主要用于确定重力荷载在水平作用位移效应引起的二阶效应是否可以忽略不计，刚重比不满足规范上限要求，说明重力二阶效应的影响较大，要考虑二阶效应的影响，不能忽略；规范下限主要是控制重力荷载在水平作用位移效应引起的二阶效应不至于过大，避免结构的失稳倒塌。刚重比不满足规范的下限要求，说明结构的刚度相对于重力荷载偏小。如果刚重比过大，则说明结构的造价偏高，宜适当减少剪力墙、柱等竖向构件的截面面积。
6、刚度比
刚度比主要是为了限制结构的竖向不规则性，避免结构刚度沿竖向突变，形成薄弱层。正常设计的高层建筑下部的楼层侧向刚度宜大于上部楼层的侧向刚度，否则变形就会集中于刚度较小的下部楼层而形成结构的软弱层，所以应对下层与相邻上层的侧向刚度比值进行限制。剪力墙结构设计中楼层与其相邻上层的侧向刚度比值一般不宜小于0.9，当本层层高大于相邻上层层高的1.5倍时，该比值不宜小于1.1，对于结构底部嵌固层，其层间位移角较小，因此控制的比较严格，该比值不宜小于1.5。实际设计过程中，当上部结构的侧向刚度比较大时，可用减少上部剪力墙的数量、减小剪力墙的厚度或者对剪力墙开洞口等方法来减少上部结构侧向刚度，从而达到刚度比比值要求，当上部结构的侧向刚度偏小，可采取适当增加下部剪力墙数量或者增大下部剪力墙厚度的方法来增大下部结构的侧向刚度，也可以实现刚度比的合理限制。
三、剪力墙结构设计的优化
1、结构布置的规则性
剪力墙的布置要根据建筑的空间使用功能的平面布局来完成，合理的建筑布置对结构设计很重要，工程中应该和建筑设计师紧密配合，优化个别墙体的位置，调整墙体的长度，在满足建筑使用功能的前提下尽量使结构平面形状简单、规则，质量、刚度和承载力分布均匀，工程的平面布置越规则越好，结构具有明确的传力途径，结构在竖向和风荷载及地震力作用下的效应较明确，关键受力部位也清晰，便于按照规范对其采取相应的抗震措施和抗震构造措施，且采取的措施有效性相对较高。设计时不应采用严重不规则的平面布置，因为严重不规则的结构受到竖向力和风荷载及地震力时，很难算出受力效应，准确把握薄弱层和关键受力构件有很大难度，结构的措施有效性得不到充分的发挥效应，结构设计的费用高，起到的效果还差。剪力墙布置时，还要注意结构两个主轴方向的动力特性（周期和振型）是否相近，对一个方向墙很多、另一个墙较少的建筑要引起重视，往往会由于某一方向太弱而先遭受破坏，从而引起整个建筑的倒塌，调整时要注意两向的动力特性与抗剪承载力的均衡协调。剪力墙的布置宜周边强，中间弱，增加周边的刚度，使结构具有必要的抗扭刚度，保证结构的扭转效应较小；宜下部墙体厚，上部墙体薄，上下墙位置一致，洞口宜对齐，混凝土标号和墙厚变化部位错开，不集中在一个楼层同时变化，这样减少刚度突变过大，避免形成薄弱层，达到结构相对规则的目的。
2、剪力墙墙肢优化
剪力墙按照墙肢截面高度与厚度之比，分为一般剪力墙和短肢剪力墙，在规定的水平力作用下，当短肢剪力墙承担的底部倾覆力矩小于结构底部总倾覆力矩的30%时，称为较多的短肢剪力墙结构。抗震设计时，高层建筑不应采用全部短肢剪力墙结构，B级高度以及抗震设防烈度为9度的A级高度高层建筑，不宜布置短肢剪力墙，不应采用较多的短肢剪力墙的剪力墙结构。而且从规范规定中也可以看出，短肢剪力墙结构对墙肢的构造要求比一般剪力墙结构要求严格，工程造价上也不经济，所以应从概念设计的角度加以优化控制。实际工程设计中，有建筑平面的原因，也有甲方要求的缘故，把墙肢高度与厚度的比值设计的刚刚满足一般剪力墙的规定，其实这样也不见得就一定经济，因为长墙肢墙体开洞口，洞口两端要设置边缘构件，上部要设置连梁，其配筋都大于墙体配筋，开洞的地方还要填充砌块，砌筑填充墙材料费用和人工费用等等总体加起来造价可能更高。
四、剪力墙结构在设计中的应用
1、剪力墙边缘构件设计
为了提高剪力墙结构抗震延性，加强约束作用，在墙肢两端设置边缘构件。边缘构件根据底部轴压比限制设置约束边缘构件或构造边缘构件。设计过程中要注意约束边缘构件的配筋不仅仅要满足规范规定的最低要求，还要看计算书，也要满足计算结果的要求。约束边缘构件还要注意设置的范围，向上到底部加强部位的上一层，有裙房的时候还要到裙房屋顶的上一层；向下到嵌固端下部一层，嵌固端是基础顶面时，延伸到基础顶。B级高度的剪力墙结构还要注意约束边缘构件与构造边缘构件层之间设置1~2层的过度层，其边缘构件的箍筋可低于约束边缘构件但是要高于构造边缘构件的要求。
2、剪力墙连梁超筋
设计过程中常常遇到个别连梁超筋的现象，可以采用调整洞口大小的方法，适当降低连梁的断面，控制连梁高度不小于400；也可以对连梁的刚度按规范要求折减。这两种方法对跨高比较大的连梁效果比较好，而对跨高比较小的连梁效果不是特别明显。当这两种方法调整后计算结果若满足规范的要求，连梁可以直接按计算结果配筋。如果不满足，还可以对连梁的两端点铰接，计算满足要求后，连梁可以用计算结果进行配筋，而墙体的配筋则要用两次的计算结果进行包络设计[3]289。
结论
剪力墙是抗侧力构件，剪力墙结构在建筑结构设计中应用非常普遍，设计过程中要重视概念的设计，掌握好墙肢的类别，边缘构件及连梁等等的设计要点，对确保剪力墙结构设计的安全合理性以及工程造价的经济性非常重要。
参考文献
[1]施岚青.一级注册结构工程师专业复习教程[M].北京.中国建筑工业出版社,2016:691
[2]建筑抗震设计规范(2016年版)GB50011-2010[M].北京.中国建筑工业出版社,2016:13
[3]朱丙寅.高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析JGJ3-2010[M].北京.中国建筑工业出版社,2013
论文作者:杨华
论文发表刊物:《基层建设》2018年第18期
论文发表时间:2018/7/16
标签：结构论文; 剪力墙论文; 刚度论文; 构件论文; 剪力论文; 洞口论文; 结构设计论文; 《基层建设》2018年第18期论文;