王 娟

（甘肅宏圖建筑設(shè)計(jì)有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

隨著行業(yè)的發(fā)展和時(shí)代的進(jìn)步，在建筑行業(yè)中，剪力墻被越來越廣泛地應(yīng)用于高層建筑的工程項(xiàng)目施工中。而社會的發(fā)展與經(jīng)濟(jì)的騰飛，使得我國的建筑行業(yè)也得到了極大的刺激，建筑項(xiàng)目越來越多，高層建筑項(xiàng)目更是在大城市中隨處可見，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隨之遇到了極大的挑戰(zhàn)與困難，我們不能夠再滿足于過去那樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。各家公司只有不斷地對剪力墻的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化與探究，加強(qiáng)剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與質(zhì)量才能夠滿足當(dāng)下的需求。剪力墻本身具有剛性強(qiáng)度大，整體性能好，并且能夠很好地抵擋地震帶來的災(zāi)害，加之建造剪力墻的成本與其他工程項(xiàng)目相比也更加低廉，因此，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之時(shí)，其首先被考慮到。然而，就剪力墻的設(shè)計(jì)方案而言，目前并未有統(tǒng)一的、權(quán)威的、規(guī)范化的設(shè)計(jì)方案。這就導(dǎo)致了在各個(gè)工程項(xiàng)目中，剪力墻的尺寸大小、墻體結(jié)構(gòu)、墻體質(zhì)量都存在著極大的差異，使得工程質(zhì)量沒有辦法得到保證。目前，雖然有一些人對剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了一些研究與探討，文獻(xiàn)[1]就剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及其結(jié)構(gòu)中抗側(cè)的剛度與功能和抗震性能之間的關(guān)系進(jìn)行了一些探討；在文獻(xiàn)[2]中作者同樣從剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析與應(yīng)用相結(jié)合，研究了剪力墻的各方面性能，并且給出了一些設(shè)計(jì)方案；文獻(xiàn)[3]和[4]的作者則從實(shí)際情況出發(fā)，分別從剪力墻的材料出發(fā)，討論了鋼板與鋼筋對于剪力墻的安全性與穩(wěn)定性的影響。除此之外，文獻(xiàn)[5]和[6]也給出了對于剪力墻結(jié)構(gòu)與性能的一些討論與分析。盡管有很多的文獻(xiàn)已經(jīng)對剪力墻的各方各面進(jìn)行了詳細(xì)的討論和詳盡的分析，然而，現(xiàn)實(shí)是行業(yè)內(nèi)還對剪力墻沒有一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)知和認(rèn)識。因此，文章將從剪力墻的結(jié)構(gòu)與優(yōu)化設(shè)計(jì)以及剪力墻的應(yīng)用等方面進(jìn)行全面的概述，對剪力墻給出一個(gè)系統(tǒng)的敘述。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)概述

在高層建筑項(xiàng)目中，剪力墻之所以得到廣泛應(yīng)用，主要是因?yàn)槠涑休d能力和墻體的剛性。因?yàn)榧袅Φ妮d荷能力與剛性都非常之強(qiáng)，故在地震來臨時(shí)憑借其特有的承載力可以降低水平載荷能力達(dá)到抗震的效果。剪力墻的主要原料是鋼筋混凝土，通過將鋼筋混凝土作為其墻體的主要結(jié)構(gòu)，用于承載建筑物的橫向力與縱向力，不僅能夠達(dá)到分割空間的效果，通過建造剪力墻可以增加平面內(nèi)的抗側(cè)移強(qiáng)度，同時(shí)使平面外的抗側(cè)移度變小，達(dá)到支撐建筑物結(jié)構(gòu)的作用，且剪力墻還能夠?qū)⒔ㄖ锏恼w壓力進(jìn)行分散使得建筑的整體結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定。建筑公司有時(shí)也會從創(chuàng)新設(shè)計(jì)的角度出發(fā)去設(shè)計(jì)剪力墻，一方面是因?yàn)榧袅Φ臉?gòu)建能夠增強(qiáng)建筑物的整體穩(wěn)定性與使用安全性，不但能夠抵擋建筑物帶來的載荷壓力，還能夠有效地維護(hù)上層建筑的整體架構(gòu)，使其保持穩(wěn)定。然而，剪力墻一旦造好就不能夠被輕易拆卸和改造。為此，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段時(shí)，應(yīng)該就剪力墻的設(shè)計(jì)和優(yōu)化做好前期的準(zhǔn)備工作，避免因?yàn)槭韬龆斐蓢?yán)重的坍塌事故。

為了設(shè)計(jì)出科學(xué)化的剪力墻結(jié)構(gòu)，我們需要先對其原理進(jìn)行更加細(xì)致的了解。剪力墻的作用是在梁柱設(shè)計(jì)時(shí)利用鋼筋混凝土的墻板代替框架結(jié)構(gòu)，用于增加建筑整體的載荷能力和分散壓力以及加強(qiáng)建筑整體的抗震作用。設(shè)計(jì)過程需要遵循以下幾點(diǎn)原則，首先是剪力墻整體的銜接性要非常之強(qiáng)，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮建筑整體的剛度和抗震所需要的穩(wěn)定程度并且相應(yīng)的配置合適的剪力墻體的數(shù)量；其次，剪力墻結(jié)構(gòu)的連梁剛度也有一定的要求，設(shè)計(jì)規(guī)格的跨高比一般是要大于2.5，且如果是在高層建筑中使用，還需要達(dá)到5以上的跨高比；再有就是剪力墻的設(shè)計(jì)尺寸依賴建筑項(xiàng)目所需要的建筑的體積以及建筑物處于的高度，并且剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也十分靈活，即使是具備了同樣柱體相同的受力特性的墻體，二者也可以是不相同的，可根據(jù)要求去設(shè)計(jì)，有很大程度的選擇空間。當(dāng)剪力墻的肢長/厚度的比值≤3 時(shí)，柱體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)則要根據(jù)建筑物的需求進(jìn)行制定。但是，當(dāng)剪力墻的肢長與厚度的比值在3~5 之間時(shí)，設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)要根據(jù)其雙向受壓原則進(jìn)行制定。根據(jù)剛體力學(xué)的一些理論知識，可以知道剪力墻的墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，長度不可超過9 m，寬度與高度不可超過2 m，否則剪力墻的墻體結(jié)構(gòu)將不夠牢固。在設(shè)計(jì)時(shí)有幾個(gè)要點(diǎn)需要特別注意，第一是剪力墻的數(shù)量并非越多越好，數(shù)量主要取決于如何能夠發(fā)揮出剪力墻的剛度優(yōu)勢和抗震優(yōu)勢，這個(gè)跟建筑物所處的高度和其剪力墻的壓力大小有關(guān)，在設(shè)計(jì)時(shí)要保持墻體結(jié)構(gòu)的對稱性和勻稱性。第二則是要盡可能將剪力墻的布置平面化，因?yàn)榧袅Φ脑牧蠟殇摻罨炷?，為了能夠在承受了建筑帶來的豎向壓力與水平壓力且保持較好的穩(wěn)定性，就需要將墻體結(jié)構(gòu)合理的建設(shè)在平面軸線上，使得墻體的質(zhì)量與剛度中心盡可能一致，這樣才能夠最大程度控制和降低剪力墻自身的扭矩，保持剪力墻自身平穩(wěn)時(shí)，保證建筑物的穩(wěn)定性。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要專業(yè)的人員來完成，其是一個(gè)系統(tǒng)性的工程，在這項(xiàng)工程中有許多的步驟以及需要詳細(xì)注意的多個(gè)細(xì)節(jié)之處。為此，在設(shè)計(jì)剪力墻的結(jié)構(gòu)之前，要事先將這些步驟了解清楚，并且理解各個(gè)細(xì)節(jié)，這樣才能將整個(gè)設(shè)計(jì)合理化、完善化。

首先，要根據(jù)所需確定剪力墻的墻體厚度并選擇合適的墻肢長度。根據(jù)之前的分析和敘述，可見剪力墻的肢長與厚度之比在不同的范圍時(shí)主要是依賴于建筑項(xiàng)目的要求，但是剪力墻的長度還是不宜過大，否則墻體的載荷能力就會過于分散而導(dǎo)致所能承受的壓力太小，當(dāng)壓力過大之時(shí)，墻體會被壓壞甚至崩塌。在長度確定的情況下，需要根據(jù)跨高比大于6 的原則來確定墻體高度的具體值為多少。至于墻體厚度的選取，主要是需要考慮建筑項(xiàng)目所需要的剛度和穩(wěn)定性的要求。一般情況下建筑項(xiàng)目的普通墻厚度為200 mm 時(shí)，要將剪力墻的厚度設(shè)置為200 mm。針對沒有地下室的高層建筑來說，這種選擇方式就不夠科學(xué)化和合理化，這樣制定的剪力墻的厚度與填充墻的厚度一致時(shí)，墻體的剛度與穩(wěn)定性能可能就達(dá)不到要求。因此，需要考慮更為合適的設(shè)計(jì)方案，不僅要結(jié)合建筑項(xiàng)目的實(shí)際情況，還需要參考高層建筑設(shè)計(jì)方案來進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

其次，連梁的設(shè)計(jì)在剪力墻中也是不容小視的。眾所周知，連梁的作用是用于墻肢與墻肢之間的連接。如果連梁設(shè)計(jì)不符合規(guī)定，不但起不到墻體與墻體間的1+1=2 的作用，甚至?xí)?dǎo)致1+1＜2 的作用，進(jìn)而原先設(shè)計(jì)方案中能夠承受的壓力，在連梁設(shè)計(jì)的失誤下導(dǎo)致無法承受進(jìn)而引發(fā)坍塌事故，給建筑公司帶來極大的損失。因此，一定要重視連梁的設(shè)計(jì)并且要對設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)更加注重。在連梁的設(shè)計(jì)中，有兩個(gè)指標(biāo)需要重點(diǎn)關(guān)注，即跨高比與截面尺寸。這兩個(gè)指標(biāo)和連梁的剛度是密切相關(guān)的，一旦指標(biāo)滿足了設(shè)計(jì)要求，連梁的剛度就能夠滿足設(shè)計(jì)的需求，否則將會設(shè)計(jì)出殘次的剪力墻體。

最后，邊緣構(gòu)件的設(shè)置與各種參數(shù)的計(jì)算，在設(shè)計(jì)中也是極為重要的。從過去的例子，可以總結(jié)出當(dāng)剪力墻的設(shè)計(jì)中融入邊緣構(gòu)件的約束，墻體的極限載荷能力被極大提升了。常用的邊緣構(gòu)件共分為兩類，一類是約束邊緣構(gòu)件，另一類為構(gòu)造邊緣構(gòu)件，它們分別都具有各自類別的優(yōu)勢，在實(shí)際中具體使用哪一類需要根據(jù)建筑項(xiàng)目的需求而進(jìn)行選擇。在墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之時(shí)，各類的參數(shù)對于墻體的剛性與穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，當(dāng)主體結(jié)構(gòu)設(shè)置的較為簡單之時(shí)，就采用空間協(xié)作平面框架進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的計(jì)算；而主體結(jié)構(gòu)設(shè)置非常復(fù)雜的話，就采用空間分析程序的方式進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。具體需要計(jì)算的參數(shù)為：內(nèi)力、位移等等。在設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該遵循著簡化計(jì)算的原則，帶著能簡化即簡化的思路去設(shè)計(jì)計(jì)算框架。

4 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

如前所述，剪力墻體結(jié)構(gòu)在布置的時(shí)候是沿著主軸的方向或者是雙向。這樣做的原因主要是能夠更好分散建筑物帶來的載荷壓力和保持墻體的承載壓力以及保證建筑物和墻體自身的穩(wěn)定性和安全性，沿主軸方向的布置或者是雙向布置可以使墻體形成一定的空間結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)符合剛體力學(xué)的基本原理，不僅僅在抗震上有極大的應(yīng)用，其抗側(cè)能力也有不小的增大。為了增加剪力墻整體的空間工作性能，在布置剪力墻時(shí)不可過分單一，可將兩個(gè)受力方向比較接近的墻體相互接近。但是因?yàn)閴w過于緊密會導(dǎo)致載荷作用過于集中或者是作用點(diǎn)有重疊，致使剪力墻的作用無法被最大程度發(fā)揮出來，因此最佳的布置剪力墻的方式是通過計(jì)算制定出分散剪力墻布置的最佳方案。當(dāng)剪力墻的墻體長度過大時(shí)，可以考慮通過設(shè)置洞口的方式來優(yōu)化剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將墻面分成長度相等的多段，而墻段之間則使用連梁的方式進(jìn)行連接，使得每個(gè)墻段的高度與截面高度的比例≥2，這樣就可以避免剪力墻的墻體太過脆弱而崩壞?？拐鹉芰κ羌袅ψ顝?qiáng)的能力之一，為了在地震來臨時(shí)，剪力墻可以最好的體現(xiàn)其能力，在設(shè)計(jì)之初就這一問題需要進(jìn)行完善的討論和設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)墻肢截面高度與厚度比小于4，并且按照框柱設(shè)計(jì)架柱加密區(qū)實(shí)現(xiàn)全高加密，以提高剪力墻的抗震能力。

剪力墻設(shè)計(jì)中的參數(shù)計(jì)算是其中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，而計(jì)算本身具有很高的復(fù)雜性，過程中一些模型的設(shè)計(jì)和算式的計(jì)算也非常之繁瑣。為了能將計(jì)算進(jìn)行簡化，便于實(shí)際情況的使用，需要事先了解一些用于簡化計(jì)算過程的基本原則以及一些模型設(shè)計(jì)后用于計(jì)算的基本原則。例如，在地震的場景中，需要計(jì)算地震來臨時(shí)，地震帶來的沖擊波會作用的樓層最大層間位移；在進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算時(shí)，需要先以樓層的形變量為參考，并將扭轉(zhuǎn)變形也計(jì)入其中，在某些情況下可以不扣除結(jié)構(gòu)的整體形變。這樣，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，就能夠知道高層建筑應(yīng)該盡可能減少地震發(fā)生時(shí)因地震而產(chǎn)生的形變量；這就需要在某些關(guān)鍵部位增加豎向構(gòu)件的剛度，而不是盲目增加剪力墻的數(shù)量或者是關(guān)注其他一些無關(guān)因素。在實(shí)際情況下，一些設(shè)計(jì)者僅僅關(guān)注細(xì)微之處，看到某一個(gè)方向的位移不足，為了滿足規(guī)定所要求的標(biāo)準(zhǔn)，就一味增加該側(cè)向的剛度，而忽略了架構(gòu)整體的重比。這樣做的結(jié)果最終只有兩種，一種是和規(guī)范限制較為接近最終勉強(qiáng)滿足基本要求，而另一種結(jié)果則是，一側(cè)減重過大導(dǎo)致了另一側(cè)的剛度不能夠滿足要求，或者因?yàn)闇p重過小導(dǎo)致了地震作用對建筑物的傷害還是太大而最終無法使剪力墻的作用發(fā)揮出來。因此，設(shè)計(jì)人員除了要設(shè)計(jì)出滿足規(guī)定所要求的剪力墻結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)還需要從全局的角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)，盡可能做到面面俱到，沒有遺漏。

5 結(jié)束語

在建筑工程項(xiàng)目中，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它可能決定了一個(gè)工程項(xiàng)目的質(zhì)量，甚至是決定了工程項(xiàng)目是否能夠成功。若在這一環(huán)節(jié)馬馬虎虎，不僅可能會導(dǎo)致施工過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的安全事故，甚至將來會導(dǎo)致已經(jīng)完成的項(xiàng)目出現(xiàn)坍塌事故的發(fā)生。因此，提高這一環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)技術(shù)，做好這一環(huán)節(jié)的相關(guān)工作，不但可以提升社會整體的生活水平質(zhì)量，也能夠提高工程項(xiàng)目的安全性和穩(wěn)定性。在這一環(huán)節(jié)中，剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用，由于剪力墻結(jié)構(gòu)本身有著許多的特性，例如，抗震避災(zāi)、剛性強(qiáng)度大等等，這就使得加強(qiáng)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對建筑本身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有著很大程度的輔助作用。根據(jù)前文對剪力墻的結(jié)構(gòu)和相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及應(yīng)用的敘述，對未來相關(guān)項(xiàng)目提供一個(gè)很好的借鑒例子。今后也應(yīng)該不斷加強(qiáng)對相關(guān)工作的研究，使剪力墻的設(shè)計(jì)和優(yōu)化被不斷完善，緊隨時(shí)代發(fā)展的趨勢。