聶良珍

（廣州市設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，廣東廣州 510620）

0 引言

剪力墻作為一種由鋼筋混凝土墻板負(fù)責(zé)承受水平力與作用力的建筑結(jié)構(gòu)型式，具備十分優(yōu)異的承載性能與空間分割作用，在現(xiàn)代建筑工程中得到廣泛運(yùn)用，有利于提高工程綜合效益。與此同時(shí)，隨著工程建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，以及建筑總高度的增加，對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)性能提出了更高要求。在這一工程背景下，如何持續(xù)提高剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水準(zhǔn)，是當(dāng)前一項(xiàng)重要課題，本文就此開(kāi)展研究。

1 建筑工程剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

1.1 剪力墻結(jié)構(gòu)種類

在現(xiàn)代建筑工程中，根據(jù)洞口留設(shè)情況與形狀相對(duì)位置等因素，可以將剪力墻結(jié)構(gòu)劃分為整面剪力墻、小開(kāi)口剪力墻、壁式框架以及聯(lián)肢剪力墻4 種，各類剪力墻結(jié)構(gòu)的組成情況、受力特點(diǎn)與適用范圍存在明顯差異。

（1）整面剪力墻為墻身上未預(yù)留洞口，或是墻壁總面積中開(kāi)洞面積占比在15%以內(nèi)的剪力墻，這類結(jié)構(gòu)有著以彎曲變形為主的受力特點(diǎn)，可將其視為一種基礎(chǔ)上坐落深梁的結(jié)構(gòu)形式。

（2）小開(kāi)口剪力墻是在墻身上預(yù)留一定數(shù)量的洞口，開(kāi)洞面積略大于整面剪力墻開(kāi)洞面積，開(kāi)洞面積占比保持在15%～30%區(qū)間內(nèi)，要求在墻身上規(guī)律性排列洞口，這類剪力墻的受力特點(diǎn)、抗震性能與整面剪力墻基本一致。

（3）壁式框架是在墻身上按順序排列預(yù)留尺寸較大洞口，有著洞口尺寸超過(guò)聯(lián)肢、墻肢寬度較小、連梁線剛度和剩余墻肢線剛度基本一致的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這類結(jié)構(gòu)以剪切變形為主，受力特點(diǎn)與框架結(jié)構(gòu)高度相似。

（4）聯(lián)肢剪力墻是在墻身上成列布置面積大于小開(kāi)口洞口的剪力墻結(jié)構(gòu)，因布置洞口而破壞墻身截面整體性，使整體性墻身被分解為若干連梁約束墻肢，但并未改變結(jié)構(gòu)整體受力特點(diǎn)。

1.2 設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

相較于框架結(jié)構(gòu)等建筑結(jié)構(gòu)型式，剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)性、連續(xù)性、穩(wěn)定性與規(guī)則性4 個(gè)方面。

（1）在經(jīng)濟(jì)性方面，剪力墻結(jié)構(gòu)的鋼筋用量較少，綜合施工成本略低于框架式梁柱等結(jié)構(gòu)型式，設(shè)計(jì)人員還可采取使用輕質(zhì)隔墻材料、減少剪力墻布置數(shù)量與厚度等措施，在滿足建筑使用需求、保障結(jié)構(gòu)安全的前提下，進(jìn)一步降低建筑結(jié)構(gòu)造價(jià)成本。

（2）在連續(xù)性方面，雖然剪力墻結(jié)構(gòu)會(huì)從橫向和縱向方向?qū)⒔ㄖ覂?nèi)空間分割為若干功能區(qū)域，但各區(qū)域之間保持十分緊密的內(nèi)在聯(lián)系，相互關(guān)聯(lián)而組成整體結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)單來(lái)講，剪力墻結(jié)構(gòu)具備良好的整體性與空間作用。

（3）在穩(wěn)定性方面，剪力墻在結(jié)構(gòu)承載、抗側(cè)力等方面的表現(xiàn)由于框架結(jié)構(gòu)，具備較強(qiáng)的建筑支撐能力，極大提高了建筑物穩(wěn)定性，因而多用于建造高層建筑。

（4）在規(guī)則性方面，剪力墻結(jié)構(gòu)強(qiáng)調(diào)于體現(xiàn)規(guī)則性來(lái)保證功能區(qū)域劃分的合理性，一般情況下，設(shè)計(jì)人員在建筑平面軸線方向上對(duì)稱布置剪力墻，必要時(shí)對(duì)收縮力較大等特殊部位墻身鋼筋分布情況進(jìn)行調(diào)整即可[1]。

1.3 設(shè)計(jì)原則

在建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，為充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)功能效用，設(shè)計(jì)人員需要嚴(yán)格遵循調(diào)整樓層最小剪力系數(shù)、調(diào)整連梁超限、調(diào)整樓層間最大位移與樓層高比例3 項(xiàng)設(shè)計(jì)原則。

首先，調(diào)整樓層最小剪力系數(shù)原則，設(shè)計(jì)人員可采取大開(kāi)間設(shè)計(jì)、增加剪力墻結(jié)構(gòu)剛度等措施，最大限度把各樓層間剪力系數(shù)控制在最小程度，這將起到提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與強(qiáng)化抗震性能的作用，確保建筑物遭受外部地震能量沖擊時(shí)，剪力墻底部結(jié)構(gòu)可以消除40%及以上震感。

其次，調(diào)整連梁超限原則，設(shè)計(jì)人員根據(jù)工程實(shí)際情況來(lái)計(jì)算最佳的剪力墻剪力與彎矩限度比，一般情況下通過(guò)調(diào)整剪力墻跨高比例與連梁跨比來(lái)保證剪力墻剪力與彎矩比不超過(guò)限度要求，同時(shí)，設(shè)計(jì)人員也應(yīng)從工程造價(jià)層面來(lái)考慮這一問(wèn)題。

最后，調(diào)整樓層間最大位移與樓層高比例原則，在早期建筑工程中，為解決剪切變形問(wèn)題，普遍選擇調(diào)整縱向構(gòu)件數(shù)量的方法，在合理范圍內(nèi)增加構(gòu)件數(shù)量而改變結(jié)構(gòu)減重比例，但會(huì)由此引發(fā)樓層扭轉(zhuǎn)問(wèn)題。對(duì)此，設(shè)計(jì)人員需要適當(dāng)縮減樓層間扭轉(zhuǎn)角度、計(jì)算相鄰樓層的層高位移比是否在合理范圍內(nèi)，不得在樓層間僅設(shè)置少量構(gòu)件[2]。

2 不同布局的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法差異化對(duì)比分析

2.1 布局設(shè)計(jì)

建筑剪力墻結(jié)構(gòu)主要由剪力墻、梁、板等部分組成，不同部分的布局設(shè)計(jì)方法與要求存在明顯差異，具體如下。

（1）剪力墻布局設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)樹(shù)立合理范圍內(nèi)減少剪力墻數(shù)量、體現(xiàn)平面豎向規(guī)則性、把控剪力墻長(zhǎng)度與取消無(wú)效邊緣構(gòu)件的設(shè)計(jì)思路，以此來(lái)確保剪力墻結(jié)構(gòu)具備足夠的抗側(cè)剛度與抗扭剛度，具體從均勻布置剪力墻、減少扭轉(zhuǎn)效應(yīng)、剛度均勻變化、平面內(nèi)軸壓比值相似方面著手。其中，均勻布置剪力墻是在各結(jié)構(gòu)平面單元中對(duì)稱布置剪力墻，要求剪力墻位于建筑平面主軸兩側(cè)，或是布置在有利于結(jié)構(gòu)承載的隔墻位置，一般情況下，把相鄰剪力墻間距控制在4.5～6m 以內(nèi)、剪跨比在2 以上，且各處剪力墻的長(zhǎng)短墻比例保持均勻狀態(tài)，避免個(gè)別墻肢受外部作用力影響而率先破壞。減小扭矩效應(yīng)通過(guò)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗扭剛度與控制結(jié)構(gòu)中心剛度來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要采取計(jì)算建筑結(jié)構(gòu)中部剪力墻最佳數(shù)量、在合理范圍內(nèi)布置最少數(shù)量剪力墻的實(shí)現(xiàn)方法。剛度均勻變化是在建筑高度方向上均勻調(diào)整墻身厚度，非必要情況下不得在高度方向上出現(xiàn)剛度突變問(wèn)題，并在底部加強(qiáng)區(qū)域內(nèi)增加墻厚值。平面內(nèi)軸壓比值相似是由設(shè)計(jì)人員使用PKPM 軟件，計(jì)算各套初步設(shè)計(jì)方案中的墻肢軸壓比數(shù)值，優(yōu)先選擇軸壓比值最小的設(shè)計(jì)方案，軸壓比值越小，則剪力墻布置越均勻，起到減小結(jié)構(gòu)自重、最大限度發(fā)揮剪力墻水平與豎向承載力的作用[3]。

（2）梁、板布置。設(shè)計(jì)人員盡可量對(duì)樓層梁傳力路徑進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，如果樓層梁布置數(shù)量過(guò)多，會(huì)增加傳力路徑復(fù)雜程度，造成多重傳力、影響建筑美觀與增加工程造價(jià)等后果，在隔墻開(kāi)設(shè)小洞口或是樓板跨度較小情況下可以取消樓層梁。同時(shí)，綜合分析水電管線敷設(shè)需求、撓度等因素來(lái)計(jì)算最佳樓板厚度值，根據(jù)板厚來(lái)調(diào)整樓層梁間距。一般情況下，把樓層梁跨度控制在5m 以內(nèi)、樓板厚度控制在120mm 左右即可。

2.2 抗震設(shè)計(jì)

抗震性能是衡量建筑物安全系數(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，在現(xiàn)代建筑工程中，對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能提出嚴(yán)格要求，將抗震目標(biāo)設(shè)定為“小震不壞、中震可修、大震不倒”。具體來(lái)說(shuō)，要求剪力墻結(jié)構(gòu)遇到低于當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度地震災(zāi)害時(shí)不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破損問(wèn)題，遇到和當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度相當(dāng)?shù)卣馂?zāi)害時(shí)的結(jié)構(gòu)破損程度在后續(xù)可修復(fù)范圍內(nèi)，遇到遠(yuǎn)超當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度地震災(zāi)害時(shí)不會(huì)在震中出現(xiàn)建筑物倒塌情況。

為增強(qiáng)建筑物抗震性能，設(shè)計(jì)人員需要在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中采取多道設(shè)防、延性結(jié)構(gòu)塑性變形、平面外穩(wěn)定性控制、平面對(duì)稱布置的措施。

（1）多道設(shè)防是在結(jié)構(gòu)體系中延伸設(shè)置多道抗震防線，如把連梁與剪力墻分別作為一道防線、二道防線，在上道防線被破壞后，由下道防線繼續(xù)抵抗地震作用，避免建筑結(jié)構(gòu)受損嚴(yán)重。

（2）延性結(jié)構(gòu)塑性變形是通過(guò)增加剪力墻與樓層梁等構(gòu)件延性、保持節(jié)點(diǎn)承載力超過(guò)構(gòu)件承載力，使剪力墻結(jié)構(gòu)具備良好延性，建筑物在遭受地震能量沖擊時(shí)可以耗散部分能量、由變形能力抵抗地震作用。

（3）平面外穩(wěn)定控制是采取沿梁軸方向設(shè)置扶壁柱、保持墻肢與平面外方向樓面梁相互連接狀態(tài)、減小梁端部彎矩對(duì)墻彎矩等措施，通過(guò)控制平面外彎矩值來(lái)維持平面外結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）平面對(duì)稱布置是在剪力墻結(jié)構(gòu)平面方案中在軸線兩側(cè)對(duì)稱布置剪力墻等構(gòu)件，保持質(zhì)量和剛度中心接近狀態(tài)、平面剛度均勻狀態(tài)，以此來(lái)消除結(jié)構(gòu)抗震薄弱部位、控制震中建筑物扭轉(zhuǎn)程度[4]。

2.3 邊緣構(gòu)件設(shè)計(jì)

在邊緣構(gòu)件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，重點(diǎn)掌握配筋設(shè)計(jì)、超筋處理梁兩方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

首先，在配筋設(shè)計(jì)方面，將邊緣構(gòu)件分為約束邊緣構(gòu)件與構(gòu)造邊緣構(gòu)件兩種。以構(gòu)造邊緣構(gòu)件為例，位于建筑結(jié)構(gòu)體系的底部加強(qiáng)部位和其他部位，遵循《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010），根據(jù)建筑抗震等級(jí)來(lái)確定縱向鋼筋最小量、箍筋最小直徑值與豎向最大間距值。在一級(jí)抗震建筑工程中，要求底部加強(qiáng)部位的縱向鋼筋量不得低于1%構(gòu)件截面積、箍筋直徑值不得小于8mm、箍筋豎向間距值不得超過(guò)100mm；其他部位的縱向鋼筋量不低于0.08%構(gòu)件截面積、箍筋直徑不小于8mm、箍筋豎向間距不超過(guò)150mm。

其次，在超筋處理方面，如果在剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)梁彎矩設(shè)計(jì)值超出梁身極限承載能力、混凝土梁相對(duì)受壓區(qū)高度超限、梁身縱向受拉鋼筋配筋率超過(guò)2.5%等問(wèn)題時(shí)，即可表明建筑剪力墻結(jié)構(gòu)超筋，要求設(shè)計(jì)人員根據(jù)問(wèn)題類型來(lái)采取相應(yīng)處理措施。例如，在剪力墻結(jié)構(gòu)水平超筋、剪力墻抗剪情況異常時(shí)，需要采取加密水平筋間距的處理方法。而在剪力墻連梁超筋時(shí)，主要原因是剛度超標(biāo)、抗剪不足，可以采取折減連梁剛度、減少連梁高度以及增加洞口尺寸的處理措施[5]。

2.4 墻肢構(gòu)造設(shè)計(jì)

在剪力墻墻肢構(gòu)造設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)重點(diǎn)掌握截面厚度設(shè)定、底部加強(qiáng)部位高度設(shè)計(jì)、墻肢配筋3方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

（1）截面厚度設(shè)計(jì)方面，綜合分析建筑抗震等級(jí)、剪力墻所處部位、剪力墻種類等因素來(lái)確定剪力墻截面厚度最小值。例如，對(duì)于抗震等級(jí)為一級(jí)、二級(jí)的建筑工程，要求加強(qiáng)部位剪力墻截面厚度在層高/墻肢長(zhǎng)1/16 以上、最小不得低于200mm，其他部位墻身截面厚度在層高/墻肢長(zhǎng)1/20 以上、最小不得低于160mm。而在建筑結(jié)構(gòu)體系中設(shè)置一字型剪力墻時(shí)，要求底部加強(qiáng)部位和其他部位的剪力墻截面厚度在220mm 和180mm 及以上。

（2）底部加強(qiáng)部位高度設(shè)計(jì)方面，普遍選擇把底部存在出現(xiàn)塑性鉸現(xiàn)象高度范圍當(dāng)作底部加強(qiáng)部位，起到強(qiáng)化剪力墻結(jié)構(gòu)受剪承載力的作用。為保證建筑總體結(jié)構(gòu)具備優(yōu)異抗傾覆能力與彈塑性變形能力，設(shè)計(jì)人員應(yīng)以地下室頂板作為起點(diǎn)，延伸至計(jì)算嵌固端，將地下室頂板-嵌固端之間作為底部加強(qiáng)部位，或是將1/10 墻肢豎向總高度作為底部加強(qiáng)部位高度。

（3）墻肢配筋方面，綜合分析建筑抗震等級(jí)、結(jié)構(gòu)部位、墻身種類等因素來(lái)確定剪力墻配筋率最小值，如果配筋率不達(dá)標(biāo)，建筑結(jié)構(gòu)在使用期間有可能出現(xiàn)開(kāi)裂等質(zhì)量通病，存在安全隱患。以普通剪力墻結(jié)構(gòu)的水平向與豎向鋼筋為例，要求抗震等級(jí)為一級(jí)、二級(jí)與三級(jí)建筑物的剪力墻水平向、縱向鋼筋配筋率在0.25%及以上，抗震等級(jí)為四級(jí)的建筑物剪力墻配筋率在0.2%以上即可。

2.5 連梁設(shè)計(jì)

在建筑剪力墻結(jié)構(gòu)中，連梁起到保證結(jié)構(gòu)高度、控制結(jié)構(gòu)側(cè)移量等重要作用，但在設(shè)計(jì)期間偶爾出現(xiàn)連梁過(guò)度抗剪的問(wèn)題。因此，為預(yù)防此類問(wèn)題出現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員需要在連梁設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)掌握增加梁身截面積、調(diào)整設(shè)計(jì)應(yīng)力兩項(xiàng)要點(diǎn)，確保連梁功能作用得到充分發(fā)揮。首先，增加梁身截面積，在合理范圍內(nèi)適當(dāng)增加梁身截面積，以此來(lái)強(qiáng)化連梁抗剪能力。同時(shí)，根據(jù)工程實(shí)際情況來(lái)選擇截面積增加方式，優(yōu)先增加梁高，在保持連梁寬度固定狀態(tài)下有效增加梁身截面積，必要時(shí)也可采取擴(kuò)大梁寬的方式，但不會(huì)明顯提高連梁剛度。其次，調(diào)整設(shè)計(jì)應(yīng)力，此項(xiàng)方法適用于改變梁截面積無(wú)法優(yōu)化抗剪承載性能的情況，設(shè)計(jì)人員人為降低連梁剛度來(lái)調(diào)整結(jié)構(gòu)剪切力分配方案，如調(diào)整連梁剛度折減系數(shù)。

2.6 經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)

目前來(lái)看，建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的造價(jià)成本較高，建筑企業(yè)承擔(dān)較大的資金壓力，工程經(jīng)濟(jì)效益也存在優(yōu)化提升空間。因此，為幫助建筑企業(yè)取得理想工程收益，在保障建筑使用安全與結(jié)構(gòu)性能達(dá)標(biāo)的前提下，設(shè)計(jì)人員需要做好經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)工作，具體采取選用輕質(zhì)隔墻、優(yōu)化剪力墻平面布局、減輕結(jié)構(gòu)自重、控制剪力墻配筋率等手段。例如，在建筑結(jié)構(gòu)中設(shè)置陶粒砌塊、泡沫混凝土填充料等材質(zhì)的輕質(zhì)隔墻，并在隔墻內(nèi)嵌入少量高強(qiáng)度等級(jí)鋼筋，從而起到減少造價(jià)成本、減輕結(jié)構(gòu)自重量、減輕建筑結(jié)構(gòu)震中破損程度等多重作用。剪力墻平面布局優(yōu)化是在保證剛度與承載性能達(dá)標(biāo)情況下，適當(dāng)增加相鄰剪力墻間隔距離來(lái)節(jié)省用量成本，優(yōu)先選用一字型與T 形等形狀簡(jiǎn)單、易于操作的剪力墻來(lái)降低作業(yè)難度、減少施工成本。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在現(xiàn)代建筑工程中，剪力墻結(jié)構(gòu)型式展露出廣闊應(yīng)用前景，也是高層建筑工程首選結(jié)構(gòu)型式之一。建筑企業(yè)與設(shè)計(jì)人員理應(yīng)提高對(duì)建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的重視程度，明確設(shè)計(jì)原則，切實(shí)掌握布局設(shè)計(jì)、抗震設(shè)計(jì)、邊緣構(gòu)件設(shè)計(jì)、墻肢構(gòu)造設(shè)計(jì)、連梁設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)等要點(diǎn)，為工程建設(shè)質(zhì)量提供有力設(shè)計(jì)保障，順利達(dá)成預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。