1剪力墙的概念分析

现阶段，剪力墙结构设计在建筑工程中的应用非常广泛，在有效满足其技术性要求和设计规范的基础上，合理推进建筑结构设计，使建筑结构效果呈现理想状态，使建筑物拥有很高的质量和安全性能。这种结构体系具有其独特的特点，能够准确地体现在设计过程中。第一，在各种应力作用和结构体系受力方面，若是建筑地面与剪力墙结构之间呈垂直角度，那么在其缺乏足够强度和承载能力时，在整个结构中很可能有变形、弯曲的情况出现。第二，在结构刚度和结构强度方面，剪力墙结构的整体性好，刚度大，在水平荷载作用下的侧向变形小，承载力要求也容易满足。从而防止各种应力影响和破坏整体建筑结构，满足整体建筑的强度和刚度指标性能，对这一特点进行合理利用，设计人员可以合理地调整和提升建筑物的抗震能力，也能够对建筑物的结构刚度和强度进行提升，从而使建筑物更加稳定、安全，图1为剪力墙墙段划分示意图。

图1剪力墙墙段划分示意图

2剪力墙分类及设计原则

2.1剪力墙分类

（1）实体墙。剪力墙的类型较多，在建筑设计过程中，如果墙体的开口面积低于整体面积的15%，则可以将其称之为实体墙。这类墙体在受力时，其变形呈现弯曲以及无反弯点等特征。实体墙整体的受力呈现线性分布状态。（2）整体小开口剪力墙。在剪力墙中，开口面积超过15%且依然呈现较小开口的剪力墙称为整体小开口剪力墙，和前者对比，这类墙体不存在反弯点，但是存在突变变形，墙体受力的过程中需要考虑其弯矩情况。（3）双肢或多肢剪力墙。该墙体整体开口较大，且开口呈现规律排列，其被称为双肢或多肢剪力墙，这类墙体往往存在突变，但是不存在反弯点。（4）壁式框架。这种剪力墙形式的开口最大，且有许多反弯点，在层间构造中出现了弯矩应力突变。

2.2剪力墙的设计原则分析

建筑之所以采用剪力墙结构的核心目的在于提升建筑结构体系的安全性和稳定性，鉴于此，在设计剪力墙结构方案的过程中，一定要考虑其位移限制情况，同时在设计的过程中还要考虑水平荷载作用的影响。因此，在设计的过程中，要求剪力墙的位移限制一定要满足工程项目实际需求，同时也要尽量减少剪力墙数目。

2.2.1楼层最小剪力系数的调整原则

在实际的设计过程中，要最大限度减少剪力墙的数量，同时要进一步强化剪力墙的整体结构，如可以通过提升剪力墙水平方向的刚度和控制剪力墙的层间系数等方式来对其稳固性能进行优化。设计的优势包含以下几方面：①可以最大限度降低剪力墙主体结构的自重；②可以有效节约工程造价成本；③最大限度减少地震对高层建筑产生的危害。

2.2.2楼层层间最大位移与层高之比的调整原则

在开展剪力墙结构设计的过程中，一定要充分考虑楼层之间的跨度数值和楼层之间的高度比值。通过计算上述比值，可以精确计算出地震条件下建筑主体结构的位移情况，然后在此基础上对剪力墙结构的规格进行优化和调整。通过上述设计，即可以在不减少弯曲变形的前提下将其构成一个整体。在高层建筑结构体系的设计过程中，除了要考虑楼板的扭转数据之外，还要参考其剪切变形情况。其中剪切变形数值和建筑物的垂直构件数量有着直接的关系，但是如果垂直构件的布置位置不合理，也可能会对扭转数据产生影响，进而导致建筑层间位移数值不符合设计要求。由此可见，在进行剪力墙结构设计的过程中，一定要充分做好层间位移比和层高比的优化工作。

3剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用

3.1基础方案及承重构件的设计

在承重构件设计中，由于其是一面墙，因此在结构上的布局显得尤为重要。一方面，可以结合双向布置设计，以提高剪力墙的承载能力和抗剪性能。同时剪力墙的布置要遵循对称均匀性布置原则，避免出现刚度偏心，扭转现象等出现，且更要符合审美需求。另一方面，剪力墙的数量要适当，而不是越多越好的。如剪力墙数量过多，会使自身所需承受的力变大，进而对建筑整体结构产生不利影响，且容易遭到破坏，浪费的材料也更多。因此为了减轻自身所需承受的力，应在满足建筑结构设计要求的前提下尽量少采用剪力墙。

3.2剪力墙结构的设计

剪力墙结构的最大优点是其承载力、平面刚度好，而其平面外承载力比较薄弱，如果将平面外梁直接连接到剪力墙上，则会增加墙体的平面外弯矩。因此，当墙体横断面较小时，可以考虑采用半刚接法来调节墙体的平面外弯矩。在此基础上，应尽可能保证剪力墙平面均匀分布，并使其刚度中心尽可能靠近整个建筑物的中心，以使扭转作用最小化。当刚度中心与建筑物中心有很大偏差时，可以根据需要调整墙体长度和连接梁高度，来调节刚度中心的位置。另外，由于剪力墙的侧向刚度大、自振周期短、水平地震作用大，会对结构的整体性能产生一定影响。为了减小剪力墙结构剪力的影响，可以采取减小墙体厚度、加大主次结构设计间隔、减小墙体总数等措施来减轻结构的整体重量，进而提高结构的抗侧移刚度。

3.3大墙肢处理

在进行剪力墙结构设计时，必须充分考虑其延伸特性，如果不对其进行合理处理，将会对结构稳定和耐久性产生不利影响。而为了提高剪力墙结构的承载能力，可以采取封层间隔的方法，将大跨度剪力墙分为若干个单独的墙体，以改善其稳定性，防止其在施工中受到外力影响。

3.4剪力墙厚度的控制与配筋合理控制

为了满足剪力墙结构的抗震及相关设计规范需求，需要结合当地抗震设防烈度对钢筋及厚度进行合理配置，确保钢筋搭配合理，进而有效提升配筋质量，以保证剪力墙的功能与安全。由于在结构设计当中剪力墙结构的用钢量需求相对较大，所以需要做好剪力墙结构中的配筋量控制工作，这不仅有利于建筑成本的控制，也可全面提升剪力墙的功能与作用，确保剪力墙满足承受竖向荷载及水平荷载的基本需求。在实际的控制中，设计人员要结合最小值配筋率等的基本情况对其进行配置，首先要根据不同抗震等级控制剪力墙结构的轴压比限值，以满足结构的整体性及延性要求，在保证其延性及承载力满足的前提下，根据不同抗震等级下墙体的最小配筋率进行配筋。例如，三级抗震等级的剪力墙结构，其轴压比不宜大于0.6，最小配筋率不应小于0.25%，抗震墙的厚度不应小于140mm且不小于层高的1/25,底部加强部位墙厚不应小于160mm且不小于层高的1/20。一般情况下墙体厚度取180mm或200mm。以上实例符合结构设计的相关要求，进而尽可能减少配筋的使用量，全面控制墙体的厚度，以达到经济合理，美观适用的最佳方案。此外，要做好剪力墙优化的合理布置，并根据试验结果合理调整配筋率，以适应剪力墙结构设计要求。

3.5连梁的设计与优化

在剪力墙结构中，连梁并非必需的结构。但对设有连梁的剪力墙结构来说，如果连梁设计不合理，则必然会对剪力墙承载力产生一定的影响，甚至出现截面与设计不相符的现象。在设计连梁时，必须注意以下几个方面：一是降低连梁的刚度。连梁跨高低，但与其相连的墙体刚度大，当出现横向应力时，连梁将受到很大的内力影响，从而导致开裂和损坏。因此在设计时要科学降低连梁刚度，如果设防烈度很低，可以降低折减量，如果设防烈度较高，可以适当提高折减量，但是要保证折减率不超过0.5。二是扩大孔洞宽度。在减小连梁高度的前提下，增大开孔宽度可以明显折减连梁刚度，从而改善其抗震性能。三是可以根据工程实际，适当增大剪力墙的厚度。

3.6边缘构件设计

在结构设计中采用剪力墙结构时，需要考虑规范的相关要求，对剪力墙结构设置构造边缘构件及约束边缘构件，从而降低安全隐患。一般在抗震墙两端和洞口两侧设置边缘构件，边缘构件包括暗柱，端柱和翼墙，但需要结合实际情况进行选择。当墙体的轴压比不大于规范规定的最大轴压比限值可设置构造边缘构件，当墙体的轴压比大于规范规定的最大轴压比限制应设置约束边缘构件。另外，对于承载力需求相对较大的构造边缘构件，需要注意其稳定性设计，从而满足结构构件的基本要求。

4项目概况

为了更好地开展剪力墙结构设计工作，笔者结合具体的工程项目施工案例进行分析。本工程案例位于我国北方某地区，该工程项目为住宅小区，其总体占地面积约为125680.5m²。项目有两栋多层住宅以及两幢高层住宅构成。多层住宅和高层住宅均拥有地下室。其中多层住宅的第一层为停车场和商业网点。在针对高层建筑工程项目进行设计的过程中，首先要对其结构布置展开优化设计，设计师根据原有的计算模型，代入到设计方案之中，发现工程项目的结构布置情况可以进行以下几方面的调整和优化：第一，原有设计的过程中，其部分梁上线荷载数值为9kN/m，则需要对其结构自重进行优化和调整。第二，本工程案例之中，其中部分楼板的整体跨度较低，本工程项目楼板厚度为毫米，厚度较大，需要重点针对卫生间和厨房区域进行优化设计。第三，原来的设计中，墙肢较多，配筋较多，抗侧效率较低，影响工程项目最终的造价成本。第四，在原来的设计中，建筑第一层到顶层的墙体厚度为200mm，其中部分墙体的厚度超过250mm，整体的厚度数值偏高。因此可以从以下几方面进行优化：第一，对梁上线荷载进行优化，经过计算后得出（12×0.2+20×0.015×2）×（3.0-0.4）=7.8kN/m。在建筑的门窗等区域，可以结合实际情况进行调整。第二，针对短跨方向不足3.5m的双向楼板，其厚度可以降低为100mm；第三，可以对墙体布置情况进行优化，如可以通过减少小墙肢、减少配筋等方式来提升墙体整体的利用率。第四，除底部加强区及其上一层外，调整后剪力墙墙肢厚均为180mm，不仅节约混凝土的用量，而且结构自重也相对减轻。

5建筑结构设计中的剪力墙结构设计

5.1优化设计

从绿色建筑的层面出发，在针对高层建筑的剪力墙结构进行设计的过程中，考虑到设计过程中的各类影响因素较多，所以在实际的设计过程中，要考虑不同设计变量和建筑结构整体性能之间的相互关系。因此，可以通过不断对各设计参数进行优化和调整来实现绿色建筑设计目标。鉴于此，高层建筑剪力墙结构设计过程中，一定要充分做好分析和校对工作，然后在此基础上进行综合化设计。如可以通过对高层建筑剪力墙结构的数目和布置方式进行优化等方式来迎合绿色建筑设计理念。通过该方法，一方面可以有效减少建筑工程项目施工阶段的碳排放数量，另一方面还可以有效提升高层建筑结构的稳定性和安全性。同时，在进行高层建筑的剪力墙结构进行优化设计的过程中，要针对其整体的布局结构和数量进行明确。如可以通过保持剪力墙刚度数值不变，楼梯间和电梯间数值不变以及适当减少内部剪力墙数目的方式来提升其稳定性。

5.2二次优化设计

为了进一步对高层建筑剪力墙结构进行优化，需要在原来模型优化设计的基础上，对剪力墙的结构设计和数目设计进行整体优化。在原来的模型之中，剪力墙结构的布置类型以及数量基本上都保持不变，仅仅针对标准层中的剪力墙结构厚度进行优化设计。如可以应用四个不同类型的模型来进行设计。在这四个模型下剪力墙的厚度数值如下：300mm、250mm、220mm以及200mm。在四个模型之中，其中厚度为250mm的模型为原模型结构，根据计算分析结果可知，随着剪力墙结构厚度的降低，其剪力墙的结构刚度数值也发生变化，二者呈现正相关关系。同时，在该模型下，施工过程中产生的能源消耗也在不断下降。但是建筑物整体的结构性能以及抗震性能均符合设计要求。举例来说，和原来的模型进行对比分析后发现，如果剪力墙的结构厚度为200mm，其自身的碳排放数量较低。由此可以推断出，通过科学减少剪力墙的厚度可以实现绿色建筑的目标。此外，根据上述分析可知，通过对剪力墙结构体系以及整体的布置形式的优化，发现剪力墙依然存在一定的设计优化空间，因此可以对其开展二次优化工作。在进行二次优化的过程中，可以从剪力墙的结构厚度以及材料强度入手进行优化。具体的优化方法如下：首先，根据工程设计方案规定的范围，适当减少内部和周围部分的前提，特别是缩减轴压较低的墙体的厚度。如设计人员可以利用先进的SATWE软件进行建模来对墙体的厚度进行优化设计。其次，通过对模型参数的优化设计，可以确保建筑物整体抗震性能符合设计要求。应用以上优化方法可以获得模型三，在模型三之中，剪力墙的设计方案基本上和新模型一致，由于剪力墙结构的厚度以及对建筑的碳排量和性能的影响，一般采用200mm的标准层剪力墙结构，因此，在试验结果的基础上，对不符合设计要求的墙体和连梁，应采用C30、C40、HPB400进行修改。最后，经过综合分析后发现，通过对高层建筑剪力墙结构的布置方式和数目进行优化，至少可以减少3%左右的碳排放数量，如果只对剪力墙结构的厚度进行优化，即将其厚度数值从原来的250mm，减少到200mm，至少可以减少15%左右的碳排放数量。由此可以基本上得出，科学的优化设计方案可以有效减少工程项目施工过程中产生的碳排放数量。在针对高层建筑剪力墙结构进行设计的过程中，要综合考虑多方面的因素：第一，需要充分考虑建筑物整体的功能需求；第二，要根据施工设计要求和规范严格施工。

结语

综上所述，由于土地资源日益减少，对于结构设计来说剪力墙结构的功能优势尤为显著，近几年应用实践比较广泛。可以说剪力墙结构在当代社会建筑行业当中起到了重要的作用。随着时代的发展，为了保证结构的安全稳定，需要在实际的建筑结构中推广使用强度高、重量轻的剪力墙。这就要求设计人员严格把控规范的相关参数和设计要求，与现场实际情况相结合，综合考虑结构体系的合理布置，不断优化设计方案。然而，在实际工程中，剪力墙仍有许多不足之处，有待于深入的研究和分析，充分发挥出剪力墙结构的应用优势，以期对中国建筑业的发展起到促进作用。

参考文献

[1]周浪.基于抗震设防烈度的高层住宅剪力墙结构优化设计[J].湖北职业技术学院学报,2017,20(02):103-107.

[2]彭敏,杜波,赖虹.高层住宅钢筋混凝土剪力墙结构优化设计研究[J].江西建材,2017(17):126,129.