建筑结构设计中的剪力墙结构设计

韩 飞 甘肃信合工程设计有限公司

剪力墙多用于高层建筑，在建筑结构中具有较强的水平与竖向载荷承受能力，在抗侧刚度、抗震能力方面具有一定的优势。部分建筑工程项目为了提升建筑结构的抗震能力，通常会采用布置剪力墙结构的方式增强结构稳定性，然而剪力墙的大量布置会导致建筑工程的经济性受到影响。因此，建筑单位需要结合剪力墙结构设计原则与工程实际做好剪力墙的合理设计与布置工作，满足建筑结构质量要求的同时保障工程效益。

1 剪力墙的分类

1.1 根据墙肢尺寸分类

剪力墙构件在建筑结构设计应用时通常具有不同的墙肢界面尺寸，按照截面长宽之比不同可以将其划分为多种类型。其中，异形柱具有低于4 的长宽比，小墙肢剪力墙具有4 ～5 的长宽比，短肢剪力墙具有5 ～8 的长宽比，普通剪力墙则具有8 以上的长宽比[1]。根据剪力墙高度与宽度的比值不同，可以将剪力墙划分为3 类，分别为高宽比低于1 的矮墙、高宽比高于2的高墙以及介于两者之间的中高墙。

1.2 按洞口率的影响划分

剪力墙结构设计期间，为满足用户的功能需求，设计人员通常会将门窗洞口以规定的尺寸和形状开设于剪力墙上。相关技术规程指出，门窗洞口在剪力墙中的布置应保证成列、对齐，连梁与墙肢明确，避免洞口中存在相差悬殊的墙肢宽度。相关研究成果表明，洞口在剪力墙的布置情况会直接影响墙体结构的变形与受力情况。根据洞口开设情况可以将剪力墙划分为4类，如图1 所示，分别为整体墙、小开口墙、双肢墙以及壁式框架，下面进行详细论述。

1.2.1 整体墙

剪力墙所开设洞口数量少或无洞口时，可以忽略洞口对剪力墙结构性能的影响，此类剪力墙可以称为整体墙，结构如图1（a）所示。在实际应用时，如果剪力墙中所布设的门窗洞口仅占据15%的剪力墙墙体空间，且洞口不存在比洞口边缘与剪力墙边缘间距更长的边，则也可以称为整体墙。在受力方面，此类剪力墙等同于下端固定、上端自由的竖向悬臂，墙体高宽比较大，截面能够在墙体变形的情况下维持平行状态，具有呈线性分布的截面垂直方向应力。

1.2.2 整体小开口墙

小开口墙具有比整体墙更大尺寸的洞口，门窗洞口占据15%以上的剪力墙墙体空间，结构如图1（b）所示。在受力方面，截面法向应力接近直线分布状态，等同于墙肢弯曲应力与直线分布应力之和，弯曲应力所构成的弯矩通常在总弯矩的15%范围内，墙体变形情况接近于整体墙，无反弯点存在于墙肢上。

1.2.3 联肢墙

剪力墙中分布着较多大尺寸洞口且洞口呈一列分布时，称之为联肢墙，此时的墙体等同于众多墙肢借助连梁连接的混合体，结构如图1（c）。随着洞口列数的增加，剪力墙可以称之为双肢墙或多肢墙。剪力墙受力受连梁影响较大，刚度降低的同时也更容易变形，墙肢局部在水平载荷的影响下呈现出较大的弯矩，导致截面法向应力分布偏离直线状态。

图1 剪力墙的类型划分

1.2.4 壁式框架

壁式框架类剪力墙上布置着尺寸更宽大的洞口，此时的墙肢宽度低于洞口尺寸，墙肢与连梁具有相差不大的刚度，剪力墙具有等同于框架结构的受力变形特性，结构如图1（d）所示。在结构受力方面，壁式框架的截面法向应力相对联肢墙具有更大的变化，局部弯矩问题更为明显，存在较多反弯点分布于墙肢上。

2 建筑结构设计中剪力墙的设计要求

2.1 避免结构布置过于复杂

剪力墙结构设计期间，设计人员需要沿建筑结构主轴开展剪力墙双向布置工作，确保建筑结构在两个方向结构的均衡性，避免在抗侧刚度等性能方面存在较大偏差。特别是在抗震设计期间，设计人员需要规避剪力墙单向布置问题。

剪力墙的结构需要尽可能规避转折设计，通过拉通对齐的方式避免产生不必要的暗桩、边缘构件布置任务，将配筋等施工成本进一步缩减。在形状方面，剪力墙需要采取口、L、T 等较为规则的形状，避免结构过于复杂影响应力稳定性和施工效率。

2.2 减少短肢剪力墙应用频次

设计人员需要避免大量采用一字形剪力墙结构，应通过延长翼缘的方式增强结构的稳定性。翼缘结构如图2 所示。同时，需要避免大量使用短肢剪力墙作为抗侧力构件，必要时可以将结构转化为筒体结构或引进部分普通剪力墙结构，确保建筑的抗震性能、受力稳定性不受短肢剪力墙影响。

图2 剪力墙翼缘有效宽度示意图

2.3 提升剪力墙布置的对称性和连续性

弯曲破坏能够为剪力墙带来充足的延展性，设计人员需要做好墙肢尺寸的控制工作，尽可能将剪力墙结构转化为高墙结构，避免因脆性过大而出现严重的剪切破坏问题[2]。虽然墙肢长度提升能够为剪力墙带来更优异的延展性能，但需要将其尺寸控制在8 m 之内，将高长比控制在2 以上。剪力墙墙肢较长时，可以通过连梁将其均匀分割，将原本结构参数不符合要求的剪力墙转化为可靠的联肢墙。

为了强化剪力墙对水平与竖向载荷的承受能力，设计人员需要尽可能通过对称、连续的布置方式强化剪力墙的抗扭效果，避免因布置不均匀导致建筑结构刚度和质量不均匀，进而影响建筑的稳定性。在结构设计期间，设计人员可以沿高度方向对剪力墙的结构进行优化，通过提升混凝土强度或者增加墙厚的方式调整抗侧强度，提高建筑墙体的延性。但实际操作时也需要避免过度调整，做好经济性和结构稳定性的相关计算分析工作。

2.4 合理布置剪力墙洞口位置

剪力墙结构的整体受力情况与墙上洞口的布置情况密切相关，相关规程中指出，将门窗洞口布置于剪力墙上时，应尽可能按照成列、上下对齐的方式进行布置，确保剪力墙上能够形成清晰的连梁与墙肢结构，避免因洞口布置散乱导致墙肢宽度存在较大差异。如果所建设的高层建筑在抗震能力方面有特殊要求，则应该避免在底部剪力墙中应用错洞墙这类洞口上下不对齐的布置形式，确保剪力墙结构的抗震性能不受影响。同时，沿竖直方向布置剪力墙洞口时，建筑单位也需要避免应用存在局部重叠洞口的叠合错洞墙。叠合错洞墙与错洞墙两种结构形式在结构受力分析方面较为复杂，在设计阶段应尽可能避免采用这两类剪力墙洞口布置形式。

3 剪力墙结构在建筑结构设计中的应用

3.1 工程概况

某高层建筑地下1层与地上34层结构，高度为99 m，面积为52 469 m2。地上结构设计时应用了剪力墙结构，为钢筋混凝土现浇成型，剪力墙抗震等级为二级，建筑使用年限为60 年，风压为0.41 kN/m2。

3.2 结构布置

该建筑具有较窄的平面宽度，结构抗侧强度需适当提升，确保能够符合居住及结构位移要求，然而不对称的纵横内墙结构增加了布置难度。在实际设计时，通过在分割器、电梯井部位布置剪力墙的方式进行抗侧强度优化，并进行适当调整避免过强的刚度产生严重的扭转问题，具体可以采取加厚剪力墙的方式来实现，通过计算求得能够将质量中心与刚度中心重合于一点的设计参数。

在用户需求方面，建筑结构整体设计时需要将外挑通窗布置于右端户型。由于窗户布置的区域为无法设梁的客厅，导致右侧山墙部位无法让整体刚度形成于剪力墙间，该处更容易出现结构变形问题。为此，需要在剪力墙的基础上布置水平翼墙，通过构建筒体结构的方式强化结构的抗侧力性能。为此，针对建筑整体的扭转控制能力改善工作，设计人员可以将高连梁布置在外墙区域，基于刚度与轴压的设计标准，将外墙与内墙墙面的相关参数自上而下逐渐提高，从而错开具有不同混凝土强度的楼层。

3.3 结构计算

通过计算软件对建筑三维结构进行有限元分析，将风压、连梁刚度折减系数考虑在内，掌握在100 年一遇风力载荷影响下的结构设计参数，确认层间位移角、结构位移相关设计标准。在50 年一遇风力载荷条件下，不考虑连梁刚度折减系数，确认连梁超筋问题未出现。在10 年一遇风力载荷条件下，考虑结构定点加速度对建筑舒适度的影响，确认符合高层建筑结构技术规程要求。计算弹性时程情况，确认结构底部剪力在3 条时程曲线结果中的平均值超过了振型分解反应谱法计算所得数值的81%，每条时程曲线结构均达到其数值的66%，符合建筑设计规范要求。在抗震设计方面，该结构的弹性在小震影响下符合设计要求；在中震影响下，关键架构与薄弱环节能够工作于弹性状态；在大震影响下，各重要部件的延性均符合要求[3]。

3.4 剪力墙构造设计

3.4.1 配筋

在钢筋配置过程中，可以选择在地面以上的外侧放置水平钢筋，内侧放置竖向钢筋。经过计算，地下配筋的控制需要由竖向筋来实现，在地下墙体内侧布置水平筋，外侧布置竖向筋，通过这种设置方式提升墙体高度。

3.4.2 边缘构件

边缘构件可以改善剪力墙的载荷承受能力。通常情况下，承载力增强40%的同时会将耗能效果提升20%，实现对墙体稳定性的进一步强化。在实际应用时，剪力墙具有特殊边缘、构造边缘以及约束边缘3种构件类型。在通过设计优化改善剪力墙抗震延性的过程中，通常可以采取调整墙肢轴压比或者增设约束边缘构件的方式来实现[4]。其中，构件需要在轴压比无法限制时使用，实现抗震延性的进一步改善。约束边缘构件对墙肢受压区的高度控制可以借助内部纵筋来实现，箍筋能够约束混凝土以增强其极限应变能力，确保墙肢保持可靠的塑性变形能力以应对地震。

在布置边缘构件期间，设计人员可以借助SATWE 软件对暗桩配筋相关参数结构进行分析计算。在设计规范要求范围内，通过计算求得短肢剪力墙的一般区域需要应用1.01%的配筋率，加强区域则需要应用1.21%的配筋率。针对受力性能不足的小墙肢，需要对其轴压比进行限制，将截面设计为框架柱形状，通过计算求得一般区域需要应用1.01%的纵向钢筋配筋率，加强区域则需要应用1.21%的纵向钢筋配筋率。当墙体一端为短肢、一端为长肢时，对于暗柱的配筋无法参考长肢墙。

针对这一问题，一方面可以在配筋计算时不考虑短肢刚度和短肢在配筋后的变化情况；另一方面可以在刚度计算时考虑短肢的影响，但不考虑配筋对短肢的影响。建议针对短肢的一般区域应用0.81%的配筋率，加强区域应用1.01%的配筋率。在整体设计方面，工程建筑将约束边缘构件应用于地上1 ～5 层，将构造边缘构件应用于地上6 层以上，配筋率设置在0.51%～1.01%。

3.4.3 连梁设计

连梁能够强化剪力墙的结构刚度，具有较大的截面与较小的跨度。抗剪强度低是连梁结构存在的缺陷，在超出设计强度的情况下会出现弯曲破坏问题。设计人员通常会面临地震作用下剪力与弯矩控制方面的难题，如果单纯采取提升连梁高度的设计手段，则将会导致配筋值进一步增加，具体可以通过降低连梁刚度、增强混凝土等级等方式优化设计[5]。设计人员可以采用连梁刚度折减的方式满足设计需求，而连梁刚度的调整可以借助跨度、截面高度以及水平缝调整与设置等方式来实现。

在实际应用中，降低截面高度会导致抗剪截面缩小，缺乏实用性。提升跨度能够在增强抗剪性能的同时不提升刚度，但需要同步进行剪力墙加厚施工，在经济性方面存在一定欠缺，同时也影响了建筑的功能性。因此，设计人员需要通过水平缝将连梁转化为双连梁，将连梁截面宽度扩增为之前的两倍，有效解决连梁超限问题。

4 结语

剪力墙作为一种建筑结构形式，以其平整的墙面布置效果、较小的水平位移性能、较强的抗侧刚度性能等优势，在建筑结构设计中得到了广泛应用。在实际应用时，剪力墙结构设计人员需要遵循降低短肢剪力墙应用频次、简化剪力墙结构、增强剪力墙布置的对称与连续性等设计原则，结合建筑功能要求、质量要求、经济性等多方面的需求，合理做好构件应用、配筋、剪力墙厚度控制以及结构设计等各项工作，确保设计结构的可行性。