剪力牆結構設計研究論文
剪力牆結構設計研究論文
摘要:在建築行業發展中，剪力牆結構是建築結構中的重要組成部分。剪力牆由於抗震效能好、抗側剛度大等優點在目前建築施工中得到廣泛推廣和應用。為了提高建築水平、保證建築質量，在建築結構設計中應嚴格遵循剪力牆結構設計原則，規範剪力牆結構設計要點，科學、合理地運用剪力牆結構在建築結構設計中的優勢。
關鍵詞:剪力牆結構;建築結構;設計;應用
目前，剪力牆結構設計在國內並沒有相關規範條例，設計者應用在建築結構設計中時參照實踐經驗和建築實際要求來設計。剪力牆結構能夠更好地適應建築的發展需求，是建築結構設計中常見的一種結構，設計得當不僅能減少建築施工時間，以其抗側剛度大等優勢還能增加建築使用年限，在建築結構設計中佔據著重要的地位。雖然剪力牆結構應用廣泛，但是並不是所有建築都適用，設計者應結合實際情況綜合考慮，根據可靠分析來設計剪力牆結構，才能最大限度發揮其作用。
1剪力牆結構概述
1.1剪力牆結構
剪力牆結構是指建築(包括房屋極其附屬的建築物)用來承受風荷載或者地震等自然災害引起的水平荷載的牆體，因此又叫做抗風牆、抗震牆或者結構牆。剪力牆結構設計初衷是為了防止建築結構遭受外力破壞，提高建築結構的穩固性。所謂建築結構，根據施工方法分為:混合結構、框架結構、剪力牆結構以及框筒結構等，剪力牆結構具有抗側剛度大、用鋼量小以及抗震效能強等優勢，對比其他建築結構，剪力牆在建築結構設計中應用較廣泛。剪力牆結構的建築材料一般選用鋼筋混凝土，利用鋼筋混凝土牆板承受建築結構來自豎向受力和橫向受力，但在實際施工中，剪力牆結構主要指豎向的代替樑柱受力的鋼筋混凝土牆板(見圖1)，水平方向仍然是用鋼筋混凝土的大樓板搭載牆上實現對建築結構水平力的控制。
1.2剪力牆特徵及種類
根據剪力牆的牆體是否開洞以及開洞尺寸的大小，6～7m的為大開間，3～3.9m的為小開間，而小開間剪力牆較經濟合理，減少了建築成本，增大了建築使用面積。剪力牆結構分別有以下四種:①實體牆，其中只有實體剪力牆結構牆體不開洞。實體牆的變形主要是曲型，牆體承受能力比較強，不會發生突變，穩定性較好。②整體小開口剪力牆，相對來說截面牆體開洞面積較小，佔整個牆體面積的比例不超過15%，變形為彎曲型，彎矩圖處有可能發生突變。③多肢或雙肢剪力牆，牆體開洞面積過大並且洞口成列狀分佈，彎矩圖處不會發生異常情況，受力特點和整體小開口剪力牆相似。④壁式框架剪力牆。牆體開洞面積在幾種剪力牆結構中是最大的'，牆肢線與連梁線上的剛度比較接近，變形為剪下型，受力特點與框架結構相似。
2剪力牆結構設計在建築結構設計中的應用
2.1剪力牆結構設計原則及要點
2.1.1對牆體進行受力分析
剪力牆結構在建築結構設計中，牆體作為平面構件承受著建築結構水平、垂直方向的剪力和彎矩，因此，在進行剪力牆結構設計時，要對牆體自身的實際受力情況進行充分研究和分析，保證牆體質量，才能發揮出剪力牆應用在建築結構設計中的重要效果。
2.1.2平面內搭接
剪力牆的主要作用就是代替原始建築結構中的樑柱受力，決定了剪力牆結構在同一平面內對自身剛度和承載力的要求。首先，剪力牆結構的平面佈置方向應該儘量沿著主軸的方向，不能出現對直或拉通的現象，若方向不一樣，則應該使剪力牆結構連在一起，只有這樣，剪力牆結構才能發揮出在建築結構設計中的價值。再者，剪力牆結構在垂直方向上要做到從下往上連續的佈置，避免發生剛度突變，且剛度要分配均勻，剪力牆結構開的洞口要形成明確的牆肢和連梁。最後，合理控制剪力牆結構的數量，在建築結構平面佈置和設計時不能使剪力牆結構過於密集，需要平衡抗側力剛度，如果抗側力剛度過大，剪力牆結構重力加大，無形中對建築抗震能力造成威脅。由於處在平面外的剛度和承載力相對較小，在建築設計剪力牆結構時應儘量避免平面外的梁體與剪力牆連結，影響剪力牆彎矩發生突變導致施工質量問題，實在無法避免的情況下，應當按照相關施工標準加固剪力牆結構(見圖2)，確保剪力牆平面內外安全。
2.1.3調整超限
1)剪力牆結構應遵循建築樓層之間最小剪力數的原則，例如在建築結構設計初期，考慮到提高建築抗震性時需要適當降低建築結構自身重量，剪力結構設計應在短肢剪力牆承受的第一振型底部地震傾覆力矩佔結構總底部地震傾覆力矩40%以內的前提下，儘量控制剪力牆的數量［1］。2)有必要對樓層之間最大位移與樓層高之間的比例進行調整的原則，為滿足地震作用等對建築造成扭轉或剪下變形導致的建築樓層之間發生位移的需要，剪力牆結構設計不能只依靠控制豎向構件數量來對建築變形進行處理，調整樓層之間最大位移和樓層高比例可以儘量減少樓層之間的扭轉、剪下變形。3)超限的具體內容是依據相關規定，剪力牆結構中連梁剪力和彎矩的跨高比須＞2.5，反之，如果跨高比＜2.5，則視為超過規定限度，但是跨高比大於2.5並不等於越大越好。例如當剪力牆結構連梁跨高比在5～6時，並不會導致連梁剛度發生變化，但是剪力牆出現超限現象，剪力牆結構發生突變機率增大，不利於整體建築結構施工，這種情況應該採取框架結構的方式設計剪力牆。所以，剪力牆結構設計時，超限調整也是必不可少的內容之一，既保證剪力牆結構質量，又能有效控制建築結構整體質量。
2.2剪力牆結構設計在建築結構設計中的應用
2.2.1平面佈置
明確定位剪力牆設計要點，平面佈置應儘量均勻、對稱，同一平面內外的剪力牆結構的質量中心和剛度中心完全重合，減少扭曲，增加穩固性。建築結構設計過程中較長的剪力牆結構要設計開洞口，並均勻分配成長度相等的幾段牆面，為避免剪力牆發生剪下破壞，相關施工指標規定:每段獨立牆面總高度與截面高度之間的比例必須≥2。剪力牆結構洞口一定要保證上下對齊，成列布置，避免牆洞交錯疊合導致剪力牆受力剛度減小，否則剪力牆結構容易變形，發生施工事故。在建築結構抗震功能設計時，進行雙向或多向設定對剪力牆結構的功能性有一定的保障，形成一定的空間工作結構，當剪力牆結構洞口與牆邊或洞口與洞口之間形成牆肢截面高度與厚度比例＜4的小牆肢時，應該採取框架柱箍筋設計對剪力牆結構進行全高加密。對較長的牆肢要分為兩個牆肢施工，超過8m長的牆肢都應設定施工洞使其劃分為小牆肢。同時剪力牆結構的抗側力剛度不宜過大，否則會導致牆體自身重力增大，違背了抗震效能設計的初衷。剪力牆結構的抗側力剛度值可以透過公式:T=n(0.05～0.06)來計算，式中，n為建築結構的樓層數，建築施工建模時計算得出精確資料，防止抗側力剛度過大影響建築施工。
2.2.2牆肢截面厚度
剪力牆結構設計應用在建築結構設計中，對牆體厚度施工有明確規範條例，例如短肢剪力牆，條例規定其底部加強部位不能＜0.2m，其他部位必須＞0.18m。剪力牆的厚度應按階段變化，為防止剪力牆結構發生剛度突變，剪力牆階段變化範圍應控制為50～100mm，且要均勻連續變化，當混凝土等級和強度改變同時發生時，建築結構設計必須將兩者錯開樓層。剪力牆結構牆體厚度的規範性施工能有效保證牆體的穩定性和剛度，直接決定了建築結構的穩固性和安全性。
2.2.3剪力牆結構連梁鋼筋配置
連梁是高層建築的重要承重構件，按照國家四級地震抗震指標來說，剪力牆結構的配筋率不得低於0.2%，前三級抗震則要求不能低於0.25%。因此，在剪力牆結構設計過程中，連梁配筋率必須嚴格按照相關指標進行，結合實際對建築結構連梁進行精確的承壓計算，可適當增加剪力牆的配筋率，有效防止扭曲、剪下力對建築結構的破壞，同時也不可盲目增加，避免剪力牆結構自身重力過大影響其抗震性。
2.2.4邊緣構件設計
在建築結構設計中設計剪力牆時，剪力牆的邊緣構件也是一個比較重要的部分。剪力牆結構的邊緣構件主要有端柱、暗柱等，增加邊緣構件的延展性，結合實際設計需求約束邊緣構件設計能防止剪力牆結構產生水平位移等問題。
3結語
在充分保證建築結構的穩定性及安全質量的前提下，有效降低建設成本，最佳化建築結構設計有助於建築實現效益最大化。建築結構設計中，剪力牆結構設計應用的重要性和廣泛性在國內建築業已經佔據了很大的比例，設計人員在設計剪力牆結構時，應經多番論證結合建築實際情況和設計要求，以剪力牆種類的多樣性和靈活性為基礎，遵循設計原則，把握剪力牆的設計要點，促進剪力牆結構設計技術的發展，推動建築事業取得更大的成就。
參考文獻:
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