宋 瑛

(太原市建筑設(shè)計研究院，山西太原 030002)

1 剪力墻的主要特點

由剪力墻組成的承受豎向和水平作用的結(jié)構(gòu)稱為剪力墻結(jié)構(gòu)(Shearwall Structure)。

剪力墻結(jié)構(gòu)中的墻體既承受豎向荷載，又承受水平荷載，其中承受平行于墻面的水平荷載是墻體的主要作用。剪力墻平面內(nèi)的剛度很大，而在平面外的剛度很小，對于剪力墻的側(cè)向穩(wěn)定，各層樓蓋對它的支撐起著很重要的作用。在水平荷載作用下，墻體的工作狀態(tài)如同一根底部嵌固于基礎(chǔ)頂面的直立懸臂深梁，墻體的長度相當(dāng)于深梁的截面高度，墻體的厚度相當(dāng)于深梁的截面寬度，墻體屬于壓、彎、剪復(fù)合受力狀態(tài)。在抗震設(shè)防區(qū)，水平地震作用也是主要的水平荷載，因此剪力墻有時也稱為抗震墻。

根據(jù)墻體的開洞大小和截面應(yīng)力的分布特點，剪力墻可劃分為正截面剪力墻、整體小開口剪力墻、聯(lián)肢剪力墻和壁式框架等類型。不同類型的剪力墻具有不同的受力狀態(tài)和特點。

剪力墻結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點有施工速度快、室內(nèi)布置方便、抗震性能好，用于住宅時，室內(nèi)沒有外凸的柱角，方便家具的布置和分隔，有利于分戶、防火、防盜、隔聲。剪力墻結(jié)構(gòu)的主要缺點是由于墻體間距的限制，空間靈活性差，和框架、框架—剪力墻等其他結(jié)構(gòu)形式相比，經(jīng)濟性并無優(yōu)勢，墻體(除隔墻外)、樓板都是鋼筋混凝土現(xiàn)澆而成，材料消耗量很大，整個建筑結(jié)構(gòu)自重較大。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)的成本分析

隨著城市化進程的加快和經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，我國高層建筑的高度也在不斷增高，每一個新的高度就有一個新的建設(shè)投入，這為高層建筑建設(shè)成本的確定帶來難度。

在7度抗震區(qū)(0.20g)，結(jié)構(gòu)高度不超過100 m的高層建筑中，剪力墻結(jié)構(gòu)的用鋼量一般在45 kg/m2～90 kg/m2左右。剪力墻墻體及端柱用鋼量所占比例較高，即豎向構(gòu)件所占的比例一般超過60%。超高層建筑是我國近年來發(fā)展起來的新型建筑形式，超高層鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)在我國也已出現(xiàn)(天津津塔高336.9 m)。超高層建筑通常采用全剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)與前兩種結(jié)構(gòu)形式的混合結(jié)構(gòu)。一個45層、建筑高度在130 m左右的超高層住宅建筑，鋼筋總用量為90 kg/m2～105 kg/m2，混凝土總含量約為0.75 m3/m2～0.90 m3/m2?？紤]模板技術(shù)、混凝土泵送技術(shù)、垂直運輸設(shè)備和各項降效等因素，其結(jié)構(gòu)部分的造價約為1 400元/m2～1 500元/m2，其中地下部分約占40%，地上部分約占60%。對比高層住宅，其鋼筋含量高出約20 kg/m2～35 kg/m2，混凝土含量高出約 0.15 m3/m2～0.3 m3/m2，結(jié)構(gòu)工程造價約高出550元/m2～650元/m2。

剪力墻材料用量是整個結(jié)構(gòu)材料用量的核心，在滿足安全適用的前提下，如何使剪力墻的材料用量更經(jīng)濟是結(jié)構(gòu)設(shè)計師研究探討的重要課題。剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化也是首先從減少剪力墻結(jié)構(gòu)材料的角度考慮的。影響剪力墻材料用量的幾何因素主要是墻肢的長度和厚度，在設(shè)計中為了保證結(jié)構(gòu)為一般剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻的長度須按規(guī)范要求進行設(shè)置，一般不宜減短。同時，結(jié)構(gòu)的剛度與剪力墻長度的三次方成正比，與厚度的一次方成正比，因此減小剪力墻截面厚度既可以有效減少材料用量，又不至于嚴重削弱結(jié)構(gòu)的剛度。一般來說，剪力墻的設(shè)計應(yīng)在滿足穩(wěn)定性的前提下，盡量減薄，也就是在滿足剛度等要求的前提下，達到減少剪力墻材料用量、節(jié)約造價的目的。

3 剪力墻布置位置的優(yōu)化

剪力墻的布置方式很大程度上決定了剪力墻的剛度及剛度的分布，確定剪力墻的布置原則是剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的第一步?，F(xiàn)通過如圖1所示的簡單模型來說明剪力墻的布置方式?jīng)Q定了剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度，從而得到調(diào)整與控制剪力墻結(jié)構(gòu)體系剛度的思路和方法，得到剪力墻布置的原則。

如圖1a)所示，墻體在x方向沒有剛度，圖1b)中抵抗中心與力作用中心不重合，抗扭剛度很差，所以圖1a)，圖1b)的剪力墻不利于對水平力的抵抗，圖1d)中，剪力墻形成筒體，這種布置方式能很好地抵抗任何方向的水平作用力，圖1c)，圖1f)中剪力墻的布置都有利于抵抗任何方向的水平作用力和扭轉(zhuǎn)，圖1g)中相互垂直的剪力墻可以抵抗剪力，但抗扭能力差。所以在下面例圖中，圖1c)，圖1e)，圖1f)是相對較好的布置形式。

圖1 剪力墻優(yōu)化布置示意圖

通過對以上簡單模型的分析，可以得出剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻的布置原則為“周邊、對稱、成對、封閉”，按照此原則去布置剪力墻可以得到較大的平面剛度和抗扭剛度。把這種思路用于結(jié)構(gòu)工程設(shè)計中，可優(yōu)化剪力墻布置的位置。

4 剪力墻布置位置的設(shè)計優(yōu)化

根據(jù)統(tǒng)計，在7度抗震區(qū)，高層剪力墻結(jié)構(gòu)的住宅標準層中，單位面積含鋼量中，剪力墻墻身用鋼量約為45%～65%，剪力墻邊緣構(gòu)件(即暗柱)用鋼量約占30%～50%，因此，從用鋼量可以看出，剪力墻的鋼筋用量占總用鋼量的份額較大，其中又以暗柱鋼筋量最大，因此在設(shè)計中，設(shè)計人員應(yīng)特別注意剪力墻的布置，減少不必要的暗柱設(shè)計。

剪力墻布置的是否合理直接關(guān)系到整個結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟指標，在設(shè)計中為做好剪力墻的布置時，應(yīng)采取如下思路和措施:1)剪力墻布置的一般位置。平面形狀凹凸較大處，是結(jié)構(gòu)的薄弱部位，宜在凸出部分的端部附近布置剪力墻。剪力墻不應(yīng)設(shè)置在墻面開大洞的部位，當(dāng)墻有洞口時，洞口宜上下對齊。剪力墻應(yīng)雙向布置，形成空間結(jié)構(gòu)，特別是在抗震設(shè)計中，不應(yīng)只在單向布置剪力墻，應(yīng)使兩個方向剛度盡量接近。剪力墻的抗側(cè)剛度和承載力均較大，為充分利用剪力墻的能力，減輕結(jié)構(gòu)自重，增大剪力墻結(jié)構(gòu)的可利用空間，剪力墻不宜布置太密，應(yīng)使結(jié)構(gòu)具有較為適宜的側(cè)向剛度。為避免施工困難，不宜在變形縫兩側(cè)同時設(shè)置剪力墻。2)強周邊，弱中部。也就是剪力墻宜布置在建筑物的周邊附近，以使它充分發(fā)揮抗扭作用，必要時可利用房間窗臺設(shè)置高連梁以加強剛度。在樓(電)梯間，平面形狀變化及靜載較大的部分應(yīng)設(shè)置剪力墻。樓、電梯間等豎井的設(shè)置，宜盡量與其附近的框架或剪力墻的布置相結(jié)合，使之形成連續(xù)、完整的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。3)剪力墻的布置宜多均勻長墻(長度不大于8 m)，少短墻。要注意選擇在對結(jié)構(gòu)承受水平及豎向荷載有利的隔墻位置設(shè)置剪力墻，盡量拉大剪力墻間距，避免在較小的間距內(nèi)布置多道剪力墻。通過加長墻肢的長度，減少墻肢的數(shù)量，使結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度增加，邊緣構(gòu)件數(shù)量減少，并且由于墻間距的拉大，增加了建筑平面布置的靈活性。設(shè)計中應(yīng)體現(xiàn)使其結(jié)構(gòu)豎向和水平向具有合理的剛度及承受荷載的分布，盡可能將剪力墻的墻肢截面高度稍大于8倍墻厚，符合一般剪力墻的要求。剪力墻也不必按開間布置，兩間合并布置為大開間剪力墻也是不錯的選擇。4)多L形、T形、十字形墻肢，少復(fù)雜形狀。剪力墻盡可能設(shè)計成“L”形、“T”形，有利于剪力墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時能形成較好的側(cè)向剛度。在同樣滿足規(guī)范各項指標的情況下，更能減輕結(jié)構(gòu)自重，減少結(jié)構(gòu)構(gòu)件，有利于降低工程投資。根據(jù)工程經(jīng)驗，對于“L”形、“T”形剪力墻，當(dāng)一個方向的墻符合一般剪力墻要求時，另一個方向的墻肢不宜過短，較小的墻肢常常會出現(xiàn)較大的配筋，一般宜控制在1 m左右，使墻端暗柱配筋接近構(gòu)造配筋為宜。5)墻肢應(yīng)沿高度均勻變化。剪力墻厚度應(yīng)沿結(jié)構(gòu)高度均勻變化，不宜采取在上部為控制成本而減少剪力墻設(shè)計數(shù)量的設(shè)計方法，此做法會使層剛度變化加大，不利于抗震，同時也不一定經(jīng)濟。宜在結(jié)構(gòu)底部合理設(shè)置較厚的剪力墻，厚度隨結(jié)構(gòu)高度增加而均勻變化，此做法也滿足底部樓層層高較大的要求，避免為保證墻體穩(wěn)定性而人為增加墻厚的情況。6)各墻肢軸壓比宜接近。各墻肢的軸壓比宜基本接近并盡量靠近相應(yīng)結(jié)構(gòu)抗震等級軸壓比限值。剪力墻受剪承載力較大，絕大多數(shù)情況下抗剪不起控制作用，實際工程設(shè)計中剪力墻截面可由軸壓比控制，以保證剪力墻的延性。同時各片墻體的軸壓比宜盡量均勻，這樣可保證各層各片絕大多數(shù)剪力墻都均勻受力，處于抗震構(gòu)造配筋狀態(tài)。

總之，隨著城市化發(fā)展以及建筑用地的緊張，高層建筑將日益增多。剪力墻結(jié)構(gòu)具有整體性好，側(cè)向剛度大，抗側(cè)力性能好的特點，而且沒有梁、柱外凸，便于房間內(nèi)部布置。剪力墻結(jié)構(gòu)形式在高層建筑，尤其是住宅中的使用越來越多，對高層建筑設(shè)計要力求合理性與經(jīng)濟性，剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中有很多需要注意的問題，只有熟練地掌握規(guī)范，才能設(shè)計出安全又經(jīng)濟適用的優(yōu)秀作品。

[1] 焦安亮，黃延錚.超高層住宅建造及運營經(jīng)濟性研究[Z].2012.

[2] 楊太生.建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與識圖[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[3] GB 50011-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[4] 徐傳亮，光 軍.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化及實例[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.