王志軍

（晉城合為規(guī)劃設計集團有限公司， 山西 晉城 048000）

隨著科技水平的提高和國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，現(xiàn)代高層建筑的作用越來越復雜， 對其結構提出了更高的要求。 常規(guī)的框架結構已無法適應工程的發(fā)展， 為保證建筑的安全， 不斷地打破建筑的總高度，采用剪力墻結構是高層建筑的主要方向。 因此， 在建筑結構設計中剪力墻結構設計中會出現(xiàn)很多難點。

1 剪力墻結構概述

1.1 關于剪力墻的內(nèi)涵

剪力墻是一種常見的結構形式， 又叫抗震墻或結構墻。 在建筑中， 剪力墻是一種重要的工程技術，它主要用于承受風荷載或在地震作用下的水平載荷。根據(jù)洞口大小、 數(shù)量、 布置措施等因素， 可以將其分為多種類型。 一是一體墻， 即在門窗開口面積合計小于剪力墻面積15%， 而開口長度小于洞口與墻體的凈間距， 即整體墻體。 二是框支剪力墻， 當?shù)讓有枰^多的空間時， 可以采用框架結構來支撐上部剪力墻。 在地震高發(fā)區(qū)， 單用框支剪力墻結構是設計者在進行建筑結構設計時不適宜的。 三是采用壁型結構， 其孔徑較大， 且連接梁的線型剛度與墻肢線剛度相近的墻體叫做壁型結構[1]。

1.2 運用剪力墻結構設計的準則

在設計中， 剪力墻的高、 寬等尺寸稍大， 其受力狀況和墻身構造與其它構件有不同之處。 因此，在進行剪力墻結構的設計時， 應根據(jù)結構的受力特性， 對其高度、 寬度、 跨度等進行精確的分析與計算， 并在綜合考慮各種因素后， 確定最終的比例。其次， 在實際計算中， 從平面上看， 剪力墻在平面內(nèi)具有很高的剛性和較好的承載力， 但在平面以外，它的剛性和承載力會下降。

2 剪力墻結構的優(yōu)勢

剪力墻結構是由鋼筋混凝土墻取代傳統(tǒng)的框架梁和框架柱， 在一定程度上控制了建筑物的水平力，從而確保了建筑物的穩(wěn)定。 剪力墻結構具有如下優(yōu)點: 第一， 具有很高的穩(wěn)定性。 在剪力墻結構中，一般采用的是鋼筋混凝土墻， 相對于傳統(tǒng)的框架梁和柱， 它具有更好的綜合性能和更好的支撐效果，對于增強建筑物的穩(wěn)定性具有很大的幫助。 第二，更經(jīng)濟。 在剪力墻結構中， 鋼筋混凝土的用量較大，不需再填入鋼材， 減少鋼材用量， 節(jié)約投資， 提高設計成果的經(jīng)濟效益。 第三， 美觀度更高。 由于剪力墻結構具有很好的抗側承載力， 可以根據(jù)具體情況進行調整， 適用范圍更廣， 能適應不同人群對建筑美觀的要求。 第四， 延續(xù)性更強。 剪力墻結構不僅要確保建筑物的穩(wěn)定， 而且還能在一定程度上將建筑物分割開來， 這樣既能區(qū)分出建筑物的不同部位， 又能在某種程度上保持連續(xù)性。

3 剪力墻結構設計的設計原則

3.1 控制高度與寬度的原則

在進行剪力墻結構設計時， 應嚴格按有關規(guī)定來控制其高、 寬， 以確保其對整體結構的穩(wěn)定。 這就要求在設計時， 對建筑物的橫向和縱向的受力進行分析， 并根據(jù)有關的建筑材料特性， 對其進行有效的水平、 寬度控制。 剪力墻的寬度和高度都是合理的， 這樣剪力墻就可以充分利用它的功能， 提高它的防震能力和安全性。

3.2 控制剛度和延展性的原則

由于剪力墻的平面內(nèi)剛度和承載力都比較大，剪力墻結構平面外的剛度和承載力都比較低。 因此，在設計時通過控制剪力墻與外梁間的搭接， 可以有效地改善剪力墻的外力和承載力， 從而改善其穩(wěn)定性。 同時， 在進行剪力墻結構設計時， 應考慮到工程的具體特征及施工要求。

3.3 樓層最小剪力系數(shù)的調整原則

在進行結構設計時， 要注意盡量減少樓層間的剪切系數(shù)。 為了保證結構良好的抗震性能， 應從結構的安全角度出發(fā)， 確定其水平地震剪應力要比樓層最小。 在結構設計時， 應考慮將剪力最小化， 最大限度地增加設計室內(nèi)的空間， 以達到合理的水平剛度， 并將其綜合考慮， 得出樓層最小剪系數(shù)。 另外， 在建筑結構設計中， 應盡可能地減少結構的自重， 減少工程成本， 并對結構的抗震性能進行優(yōu)化。為了提高結構的抗震性能， 提高結構的抗側剛度，剪力墻的剪力系數(shù)必須根據(jù)結構的抗震要求來確定。在進行剪力墻結構的側向剛度設計時， 為了有效地控制剪力系數(shù)， 常需要將傾覆力矩、 內(nèi)力和位移相應調整。 希望整體結構能夠更好地發(fā)揮抗震作用，提高整體結構的安全， 提高剪力墻的設計水平。

3.4 樓層間位移調整原則

在結構設計中， 應注意控制層間的扭轉和剪力。在建筑結構設計中， 必須遵守最大層位移與層高之比的原則， 在進行最優(yōu)調整時， 必須按設計原理進行垂直構件的排列， 否則會導致層間的扭轉變形增大， 導致層間位移不能滿足要求。 在高層建筑中，應盡量減小其扭轉變形， 而不應盲目地添加豎向構件。 如果只是一個方向上的層間位移不能滿足， 則可以通過減小這一方向上的構件的剛度來減小其剪力比， 從而獲得更好的結構優(yōu)化。

3.5 連梁調整原則

連梁是將墻腿和墻腿聯(lián)結在一起的一種梁。 盡管是橫梁， 但是橫梁的跨徑要比橫梁大得多。 在進行施工設計時， 必須遵守連梁跨高比的調節(jié)原理。當跨高比超過5 時， 一般出現(xiàn)彎曲失效； 而在跨高比小于5 的情況下， 其破壞形式以剪力為主。 彎曲斷裂屬于延性斷裂， 而剪切斷裂則比較危險， 屬于垂直斜裂。 采用適當?shù)拇胧?確保連梁的延性， 并對其跨高比例進行適當?shù)恼{整， 以達到結構抗震性能和造價的目的。

4 建筑結構設計中剪力墻結構設計的主要難點

4.1 剪力墻連續(xù)梁超筋的處理不規(guī)范

近年來， 剪力墻在高層建筑中得到了廣泛的應用， 它使建筑物的最大容許高度得到了極大的提高。由于剪力墻結構中剪力墻在總造價中占有很大比例，且其施工工藝復雜， 若設計得不科學合理， 不僅會增加工程造價， 而且剪力墻的數(shù)目和布局不當， 也會對房屋的安全和舒適度產(chǎn)生不利的影響。 在現(xiàn)代高層建筑的結構設計中， 建筑物的抗震性能是一個重要的指標。 在結構設計中， 應盡可能地保證系統(tǒng)的抗側剛度， 布置簡單， 規(guī)則， 橫向剛度不能相差太大， 以免出現(xiàn)過度的動態(tài)變化。 剪力墻結構在整體地震傾覆力矩中的比例應該得到合理的控制， 同時也要考慮框架與剪力墻的剪力分擔比例。 在滿足結構抗震性能要求的情況下， 具有良好的經(jīng)濟效益。

4.2 剪力墻結構定位不合理

在采用剪力墻結構時， 應考慮兩種結構體系的最大高度。 剪力墻的厚度和高度都有嚴格的規(guī)定，其計算結果必須符合規(guī)范， 尤其要注意底部加強區(qū)的加強。 在框架剪力墻結構中， 由于水平力的限制，底層框架結構所承受的地震傾覆力矩和結構整體的傾覆力矩比例存在很大差異。 在進行結構設計時，應根據(jù)傾覆力矩之比， 來決定其對應的適合高度及構造要求。 在確定傾覆力矩比時， 需要根據(jù)框架和剪力墻的實際情況來確定。 在此基礎上， 結合剪力墻實際傾覆力矩的計算結果， 得出了框架結構與剪力墻結構的抗震級別[2]。

在高層建筑的設計中， 應采用剪力墻結構。 在實際工程中， 應按建筑物的布局， 在適當?shù)牟课辉O置剪力墻， 以達到建筑物的正常使用和安全。

4.3 剪力墻結構難以平衡

剪力墻結構具有更大的抗震性能和最大可使用的高度， 但它的結構成本卻很高。 許多建筑項目在進行結構設計時， 往往存在著兩種不同的使用比例不能均衡的問題。 這使得在建筑設計中， 無論是造價還是安全性都很低， 所以， 合理地利用這兩種結構成為了設計中的一個難點。

5 剪力墻結構設計中難點的解決辦法

5.1 剪力墻連續(xù)梁超筋的處理

在進行剪力墻結構設計時， 應考慮到彎矩、 剪切力的合理控制， 以達到設計要求， 避免連續(xù)梁的超筋問題。 在剪力墻結構中， 一般會出現(xiàn)超過1/3的樓層的局部連梁超筋問題。 剪力墻的作用是導致剪力墻結構變形的重要因素， 所以必須對梁段高度進行嚴格的控制， 以達到科學化、 規(guī)范化的目的。為了提高剪力墻的抗震性能， 必須對其進行適當?shù)恼{整。 當耦合梁在振動作用下產(chǎn)生不同程度的表皮破壞時， 其穩(wěn)定性就無法得到保障。 并在此基礎上，對墻壁和四肢進行了充分的分析， 通過科學的計算，得出最大的內(nèi)力值， 并對其進行特殊的加固。

5.2 合理定位剪力墻結構

要想從根本上改善剪力墻的安全與穩(wěn)定， 就必須合理地設置剪力墻。 在兩個軸線或其它方向上，都要設置成兩個方向， 這樣可以保證建筑的側向剛度。 在設計剪力墻時， 必須嚴格遵循有關規(guī)范， 以保證結構的重心距形心越近越好， 從而有效地控制和限制扭轉。 剪力墻應該是豎向對齊的， 結構和底層的剪力墻避免布置發(fā)生突變。 剪力墻的孔洞布置要合理， 防止墻體剛性的過度變化， 剪力墻的內(nèi)向和外側選擇間距要保持在合理的范圍內(nèi)[3]。

5.3 剪力墻結構難以平衡

1） 大墻肢的處理， 對于長型剪力墻， 為了防止剪力墻在剪力作用下破壞墻體， 一般采用有針對性的方法進行延伸性設計。 在剪力墻結構中， 墻體的剪力主要是靠墻肢來承受， 因此必須采取相應的措施來防止墻體的質量問題。 所以， 在實際工程中，應該先把長壁肢張開， 再采用填充墻進行砌筑， 使長壁肢變?yōu)槎瘫谥?/p>

2） 墻體配筋， 在進行剪力墻配筋時， 必須對其進行適當?shù)目刂疲?以確保其穩(wěn)定， 提高設計成果的經(jīng)濟利益。 剪力墻結構不但具有數(shù)量大、 覆蓋面積大等特點。 并在此基礎上， 按計算配筋比例進行設計。 采用雙向鋼筋網(wǎng)時， 其鋼筋間距不宜大于30 cm， 從而避免了墻體配筋時的資源浪費。 在剪力墻平面內(nèi)方向上， 剪力墻的抗彎曲性能均較好。 在底部加強部位時， 應對最小配筋率進行調整。 根據(jù)有關規(guī)范和要求， 將鋼筋置于薄弱位置， 當豎向鋼筋數(shù)量過多時， 應及時調整其折減強度， 以保證其抗震能力[4]。

6 案例分析

6.1 工程概況

本工程樓層層數(shù)為24 層， 總高81m。 樓層主要功能為辦公和賓館， 一層到三層是商務辦公， 四層是設備層， 其它樓層是賓館， 地下一層是地下室。該工程的地震設防烈度為7 級， 場地類別屬于Ⅱ類。

6.2 主體結構選型

由于該工程是一座24 層、 高81m的高層建筑，同時考慮到高層建筑的設計特征， 其主體結構為雙向現(xiàn)澆鋼筋砼框架剪力墻。 結構體系滿足了結構的抗震、 抗風、 抗重力、 抗風等性能指標， 結構整體位移、 穩(wěn)定性、 節(jié)點延性等指標均滿足。

6.3 樓蓋結構選型及樓屋面板設計

鑒于其主要結構為雙向現(xiàn)澆鋼筋砼框架剪力墻，故在結構上宜選用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結構， 以便與其配合。 結合建筑的平面布局， 考慮了樓蓋次梁的橫向布置， 在縱梁上支撐。 樓體面板為多跨連續(xù)板， 其中商用層厚度為120mm， 其它層為100mm。

6.4 剪力墻截面

該樓的剪力墻端柱與剪力墻的厚度， 如表1、 2所示。

表1 剪力墻端柱截面尺寸

表2 剪力墻厚度

6.5 高層建筑結構設計及構造要求

本文以某工程中的框架剪力墻為實例， 對其結構的設計和構造要求進行了闡述。 在此基礎上， 在結構剪力墻結構和剪力墻的截面設計中， 提出了一些基本的設計要求。

在此基礎上， 本文提出了一種基于剪力墻的剪力墻體系的結構設計方法。 因此， 在此基礎上， 應明確剪力墻結構的最基本結構， 以保證其最小的強度與延性， 同時， 在本項目中， 在剪力墻周圍布置的梁端立柱， 其配筋及截面尺寸也要滿足相關規(guī)范[5]。

7 結語

剪力墻結構是當今建筑結構設計中普遍采用的一種形式， 隨著施工技術的不斷發(fā)展， 其應用越來越廣泛。 剪力墻結構的設計要遵循一定的規(guī)范， 要結合工程的具體情況， 不能盲目地采用剪力墻結構，要做到有針對性、 科學性， 要綜合考慮和分析各種影響因素， 保證設計的有效、 合理。