基于土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

剪力墻是一種通過在結(jié)構(gòu)的縱向或橫向設(shè)置墻體，目的是增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗剪能力和抗震能力，剪力墻結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)內(nèi)容涉及剪力墻的布置、尺寸、等多個(gè)方面。根據(jù)結(jié)構(gòu)的位置、形狀和功能，剪力墻的類型不同，并且在不同的設(shè)計(jì)理念下，剪力墻的設(shè)計(jì)方法和要點(diǎn)也會(huì)有所區(qū)別。1剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，根據(jù)工程用途和要求，設(shè)計(jì)和計(jì)算建筑物、橋梁、隧道等土木結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性和安全性，設(shè)計(jì)之前，需要與業(yè)主或委托方充分溝通，了解工程的需求、目標(biāo)和約束條件，這包括了解工程的用途、預(yù)期負(fù)載、環(huán)境條件以及法規(guī)和規(guī)范要求等。初步設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，要確定結(jié)構(gòu)的類型、形式和布局等，并進(jìn)行初步的荷載計(jì)算和分析，以確定結(jié)構(gòu)的主要尺寸和形狀。進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析，確定結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性和安全性，計(jì)算和分析結(jié)構(gòu)受力情況、應(yīng)力、變形、撓度等，并考慮靜力特性、動(dòng)力特性和溫度效應(yīng)等因素。根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求和計(jì)算結(jié)果，選擇合適的材料，并確定其規(guī)格和性能參數(shù)，常用的結(jié)構(gòu)材料包括混凝土、鋼材、木材、復(fù)合材料等。剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，涵蓋了多項(xiàng)設(shè)計(jì)要素，剪力墻的厚度一般為160mm～300mm，以提供足夠的抗側(cè)向力和剛度，高度通常由建筑物的層高和設(shè)計(jì)荷載確定，寬度則根據(jù)設(shè)計(jì)荷載和剪力墻的位置來決定，通常情況下，剪力墻的高度和寬度會(huì)隨著建筑物的高度和設(shè)計(jì)荷載的增加而增加。剪力墻的厚度相對(duì)較小，這是為了確保其能夠承受荷載并提供足夠的延性，剪力墻的厚度通常由材料的強(qiáng)度和設(shè)計(jì)荷載確定，厚度參數(shù)應(yīng)滿足建筑規(guī)范的要求，并經(jīng)過結(jié)構(gòu)計(jì)算和驗(yàn)算。剪力墻的布置和分布應(yīng)根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)布局和荷載情況進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，均勻分布在建筑物的周邊或內(nèi)部，以提供良好的抗側(cè)向力分布和整體穩(wěn)定性。剪力墻與建筑結(jié)構(gòu)的其他部分應(yīng)采取合適的連接和加強(qiáng)措施，以確保其能夠有效地傳遞荷載，包括鋼筋混凝土剪力墻與結(jié)構(gòu)柱、梁的連接，以及在剪力墻的頂部和底部設(shè)置橫向鋼筋和拉桿等加強(qiáng)措施。在剪力墻中設(shè)置開口或洞口時(shí)，要進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)做法和設(shè)計(jì)，開口或洞口的尺寸和位置應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算和驗(yàn)算確定，并采取合適的加強(qiáng)措施，保證剪力墻的整體穩(wěn)定性和強(qiáng)度。2剪力墻結(jié)構(gòu)分類2.1整截面墻整截面墻通常不開洞或者開洞面積較小，一般小于15%，其受力狀態(tài)類似懸臂構(gòu)件，洞口對(duì)墻肢內(nèi)力分布的影響極小，在水平荷載的作用下，墻肢水平截面內(nèi)的正應(yīng)力呈直線分布。2.2整體小開口剪力墻整體小開口類型的剪力墻具有較小的開洞面積，大于15%，開洞面積較大，可能會(huì)對(duì)剪力墻的整體剛度和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因此，在設(shè)計(jì)中要采取適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)措施，如在開洞周邊設(shè)置加強(qiáng)筋或鋼板，以保證剪力墻的整體性能。2.3壁式框架剪力墻壁式框架類型的剪力墻在剪力墻洞口尺寸較大的情況下，會(huì)出現(xiàn)受力墻發(fā)生剪切型變形的情況，這種剪力墻通常用于大開口或大洞口的情況，如門窗洞等。在設(shè)計(jì)中需要考慮洞口的位置和尺寸對(duì)剪力墻整體結(jié)構(gòu)的影響，并采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施。2.4雙肢或多肢剪力墻雙肢或多肢剪力墻的特點(diǎn)是開口較大，洞口呈列分布，與整體小開口剪力墻相似，也是通過整個(gè)剪力墻截面的抗剪能力來承擔(dān)側(cè)向荷載。該特點(diǎn)下，設(shè)計(jì)人員要在設(shè)計(jì)中考慮洞口的位置和尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響，并采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施[1]。3土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在土木工程中起到了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗剪承載能力的作用，有效增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)剛度，從保持柱和梁截面合理性的理念角度進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要體現(xiàn)剪力墻承擔(dān)大部分水平荷載和抗剪力的功能。為了確保剪力墻的受力效能，要保持剪力墻周邊柱和梁截面尺寸的合理性，以免出現(xiàn)剛度突變，在滿足抗彎強(qiáng)度要求的同時(shí)，盡量避免出現(xiàn)截面過大或過小的情況。剪力墻結(jié)構(gòu)中的柱設(shè)計(jì)中，考慮柱的穩(wěn)定性和抗剪承載能力，保持縱筋配筋率小于5，確保縱向鋼筋密度合理，較小的配筋率可以有效控制剪力墻柱的開裂和局部破壞，提高柱的整體抗震性能，在此基礎(chǔ)上，保持配筋在柱截面中的對(duì)稱性，這有助于提高柱的受力均衡性和施工方便性。剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還要考慮施工的便捷理念，保持配筋對(duì)稱，可以減少施工中的操作難度和錯(cuò)誤可能性，提高施工的效率和質(zhì)量，綜合構(gòu)件的連接方式、模板安裝、鋼筋的布置等施工因素，以推進(jìn)施工的順利進(jìn)行[2]。4土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)4.1剪力墻截面厚度設(shè)計(jì)在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，剪力墻截面厚度的選擇直接關(guān)系到墻體的抗震性能和承載能力，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中規(guī)定的剪力墻最小厚度，保證設(shè)計(jì)方案達(dá)到結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和抗震性能的要求。剪力墻截面厚度的設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮到墻體的抗震性能要求，墻體的抗震性能是指在地震荷載作用下，墻體能夠承受荷載并保持穩(wěn)定的能力，要保證墻體能夠在地震荷載作用下不發(fā)生破壞或失穩(wěn)。考慮到墻體的承載能力需求，根據(jù)建筑的用途和設(shè)計(jì)要求，確定墻體能夠承受的荷載大小、截面厚度。一般情況下，剪力墻采用的材料是混凝土，因此在選擇截面厚度時(shí)需要考慮混凝土的強(qiáng)度和耐久性要求，考慮結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，因?yàn)榻孛婧穸冗^大會(huì)增加材料的消耗和施工成本，而截面厚度過小則可能導(dǎo)致墻體的承載能力不足，因此，在滿足抗震性能和承載能力要求的前提下，需要盡量選擇經(jīng)濟(jì)合理的截面厚度[3]。4.2設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件和約束邊緣構(gòu)件約束邊緣構(gòu)件是在剪力墻的邊緣位置設(shè)置的一種構(gòu)件，其作用是改善受力性能，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震能力，根據(jù)抗震等級(jí)和剪力墻的底部截面軸壓比，約束邊緣構(gòu)件的設(shè)置可以分為兩種情況。對(duì)于抗震等級(jí)一、二、三級(jí)的剪力墻底部加強(qiáng)部位及其上一層的剪力墻肢，只有當(dāng)?shù)讓訅χ孛孑S壓比大于規(guī)范規(guī)定的限值時(shí)，才需要設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，這是因?yàn)榈讓訅χ慕孛孑S壓比較大，需要增加約束邊緣構(gòu)件來提高其承載能力和抗震性能。其他位置的剪力墻應(yīng)設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件，構(gòu)造邊緣構(gòu)件相對(duì)于約束邊緣構(gòu)件要求松一些，其主要作用是增加剪力墻的剛度和穩(wěn)定性，提高整體結(jié)構(gòu)的抗震能力。約束邊緣構(gòu)件和構(gòu)造邊緣構(gòu)件對(duì)體積配箍率等要求也有所區(qū)別，約束邊緣構(gòu)件的體積配箍率要求較高，以增加構(gòu)件的延性和抗震能力，而構(gòu)造邊緣構(gòu)件的體積配箍率要求相對(duì)較低，主要用于增加剛度和穩(wěn)定性。總的來說，約束邊緣構(gòu)件和構(gòu)造邊緣構(gòu)件都是用于增強(qiáng)剪力墻的抗震能力和受力性能，具體的設(shè)置位置和要求會(huì)根據(jù)不同的抗震等級(jí)和剪力墻的受力情況進(jìn)行設(shè)計(jì)和確定[4]。4.3剪力墻連梁超筋處理剪力墻連梁超筋是指在剪力墻結(jié)構(gòu)中，由于連梁的鋼筋布置不合理或配筋設(shè)計(jì)不足，造成連梁鋼筋超過設(shè)計(jì)要求的現(xiàn)象，連梁超筋會(huì)導(dǎo)致墻體的變形、開裂和破壞，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全性和正常使用，為了防止連梁超筋現(xiàn)象的發(fā)生，需要進(jìn)行合理的鋼筋布置和配筋設(shè)計(jì)。減小連梁的截面高度，降低其剛度和抗彎承載能力，從而減少連梁超筋的可能性，對(duì)連梁彎矩、剪力進(jìn)行調(diào)整、調(diào)幅，塑性調(diào)幅設(shè)計(jì)，降低連梁的受力水平，減少連梁超筋的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)連梁破壞對(duì)豎向承載力無明顯影響時(shí)，可考慮大震時(shí)連梁不參與工作，但連梁本身設(shè)計(jì)應(yīng)滿足非抗震設(shè)計(jì)的承載能力和正常使用要求，在大震時(shí)，連梁可以不參與工作，以減少其受力，但仍需要滿足非抗震設(shè)計(jì)的承載能力和正常使用要求。折減系數(shù)不應(yīng)小于0.5，通過對(duì)連梁剛度進(jìn)行折減，可以降低其對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的影響，減少連梁超筋的可能性。采用連梁鉸接處理的方法，可以在地震時(shí)降低連梁的剛度和強(qiáng)度，從而減少連梁超筋的風(fēng)險(xiǎn)，在連梁的中部設(shè)置水平縫，可以在地震時(shí)產(chǎn)生一定的位移伸縮，以減小連梁的剛度和受力，降低連梁超筋的可能性。通過提高連梁所使用的混凝土等級(jí)，增加其抗彎承載能力和抗剪承載能力，提高連梁的抗震性能，減少連梁超筋的風(fēng)險(xiǎn)。明確剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，見圖1，在超筋區(qū)域的兩側(cè)增加附加鋼筋，形成鋼筋網(wǎng)格或帶狀鋼筋布置，根據(jù)結(jié)構(gòu)的尺寸、超筋的尺寸和受力要求來確定附加鋼筋的大小和間距。圖1剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)為了保證加強(qiáng)超筋處的鋼筋的有效性，因此在設(shè)計(jì)和計(jì)算過程中，考慮附加鋼筋與超筋之間的傳力機(jī)制和相互作用，確保附加鋼筋能夠充分發(fā)揮作用，與超筋共同承擔(dān)受力，并提高超筋區(qū)域的承載能力，優(yōu)化鋼筋的變形性能，值得一提的是，加強(qiáng)超筋處的鋼筋應(yīng)符合相關(guān)的設(shè)計(jì)要求和規(guī)范，由專業(yè)的結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行計(jì)算和決策。加固連梁構(gòu)造的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，在連梁超筋的情況下，尤其要做好加固處理，通過增加連梁的截面尺寸、加強(qiáng)連梁的橫向連接的方式，以提高連梁整體穩(wěn)定性，強(qiáng)化整體的承載能力。設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)證，以確保連梁的受力性能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，在施工過程中也要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，確保連梁的鋼筋布置和配筋按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行順利施工[5]。4.4保持剪力墻洞口及門窗上下對(duì)齊在設(shè)計(jì)剪力墻時(shí)，需要注意剪力墻洞口和門窗的布置和對(duì)齊，以保護(hù)墻體的安全，防范墻體的變形，減小建筑結(jié)構(gòu)的倒塌風(fēng)險(xiǎn)，合理布置剪力墻，避免過度集中，剪力墻洞口和門窗的布置和對(duì)齊是為了保持墻體的連續(xù)性和一致性，防止墻體出現(xiàn)斷裂。在設(shè)計(jì)剪力墻時(shí)，洞口和門窗的位置應(yīng)與剪力墻的邊緣對(duì)齊，即在剪力墻的邊緣線上設(shè)置洞口和門窗，洞口和門窗的尺寸也應(yīng)與剪力墻的尺寸相適應(yīng)，盡量保持一致，確保墻體在受力時(shí)能夠均勻分布，避免局部應(yīng)力集中，提高墻體的穩(wěn)定性，強(qiáng)化墻體結(jié)構(gòu)的抗震性能。遵循一致性設(shè)計(jì)的原則，在位置和尺寸對(duì)齊的基礎(chǔ)上，考慮洞口和門窗在垂直方向上的一致性，即洞口和門窗的上下邊緣應(yīng)與剪力墻上下邊緣對(duì)齊，保持一致，確保墻體在受力時(shí)的整體均勻性，防止不均勻受力導(dǎo)致的墻體開裂或破壞。在設(shè)計(jì)洞口和門窗時(shí)，要根據(jù)洞口的位置和尺寸，結(jié)合結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求做合理的計(jì)算，特別是對(duì)大型洞口或門窗，可采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?，如設(shè)置加強(qiáng)筋、加裝構(gòu)造邊緣構(gòu)件等，以保證剪力墻的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性不受影響。進(jìn)行洞口和門窗設(shè)計(jì)時(shí)，也要考慮施工的可行性和方便性，洞口和門窗的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量符合施工的要求，方便施工過程中的操作，促使后續(xù)安裝活動(dòng)的順利實(shí)施。設(shè)置剪力墻時(shí)，應(yīng)根據(jù)地震力的大小和分布，合理布置剪力墻的數(shù)量和位置，保持剪力墻布置方案的均勻性，避免過度集中在某些區(qū)域的情況發(fā)生，提高整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的受力均勻度，減小結(jié)構(gòu)的倒塌風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件的位置和布置加強(qiáng)合理調(diào)整，例如，剪力墻的布置應(yīng)與樓梯、填充墻等其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件相協(xié)調(diào)，避免相互干擾和沖突，始終遵循相關(guān)的設(shè)計(jì)要求和規(guī)范，由專業(yè)的結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行計(jì)算和決策，確保結(jié)構(gòu)的安全性。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮各個(gè)構(gòu)件的功能、受力特點(diǎn)和布置要求，剪力墻作為主要的抗震構(gòu)件，其布置應(yīng)考慮到整體結(jié)構(gòu)的受力分布，以確保整體的穩(wěn)定性。剪力墻的布置應(yīng)避免與其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件(如樓梯、填充墻等)產(chǎn)生沖突和干擾，在設(shè)計(jì)過程中，要將不同構(gòu)件的平面布置進(jìn)行合理的疊加和排列，避免出現(xiàn)交叉、干擾等問題。根據(jù)相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，確定剪力墻的布置和相對(duì)位置，這些規(guī)范通常包含了關(guān)于結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置、相互影響的要求，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該嚴(yán)格遵守這些規(guī)定。設(shè)計(jì)過程中，加強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)分析軟件的運(yùn)用，在模擬和計(jì)算中，評(píng)估不同布置方案的受力性能，依據(jù)分析結(jié)果，確定最合適的剪力墻布置，調(diào)整其他構(gòu)件的位置，以保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、安全。在開始設(shè)計(jì)之前，明確設(shè)計(jì)的目標(biāo)和要求，了解結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性、經(jīng)濟(jì)性以及特定的使用需求(例如建筑的功能、空間要求等)。根據(jù)設(shè)計(jì)需求建立結(jié)構(gòu)的三維模型，使用結(jié)構(gòu)分析軟件或計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具來創(chuàng)建模型，定義約束條件，如建筑用途、受力要求、規(guī)范限制等，在模擬和優(yōu)化過程中，明確約束要素，以保證方案的可行性。基于建立的模型和約束條件，嘗試不同的構(gòu)件布置方案，調(diào)整構(gòu)件的位置、方向、數(shù)量等參數(shù)，以創(chuàng)建多個(gè)候選方案[6]。4.5采取雙向剪力墻的布置形式采取雙向剪力墻的布置形式，優(yōu)化了剪力墻抗震設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)的主軸方向上布置剪力墻，以提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和整體剛度，雙向剪力墻的布置形式主要用于長方形或近似長方形的建筑結(jié)構(gòu)，在這種布置形式中，剪力墻沿著結(jié)構(gòu)的主軸方向布置，通常是沿著建筑的長邊或主要承載方向，使剪力墻充分發(fā)揮作用，提供更好的抗震能力。雙向剪力墻的布置形式有效增加了結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，當(dāng)?shù)卣鹆ψ饔糜诮Y(jié)構(gòu)時(shí)，剪力墻能夠承擔(dān)和分散地震力，減小結(jié)構(gòu)的變形和倒塌風(fēng)險(xiǎn)，減小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和變形，提高建筑的舒適性，創(chuàng)造安全環(huán)境。對(duì)剪力墻之間的間距和布置的密度進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)整，剪力墻之間的間距應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的尺寸和地震力的大小來確定，密度適度，避免過度集中或過于稀疏，以確保結(jié)構(gòu)的均勻受力和整體穩(wěn)定性。雙向剪力墻的布置形式應(yīng)符合相關(guān)的設(shè)計(jì)要求，達(dá)到結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性規(guī)范，減小結(jié)構(gòu)的變形風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)防坍塌事故問題的發(fā)生[7]。4.6設(shè)計(jì)洞口，做好加強(qiáng)工作剪力墻洞口加強(qiáng)是在剪力墻結(jié)構(gòu)布置中保證洞口區(qū)域的結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的環(huán)節(jié)，做好加強(qiáng)可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體的承載能力，防止墻體坍塌和剪力墻受力集中，在設(shè)計(jì)洞口時(shí)，首先要考慮洞口的尺寸和位置，洞口尺寸應(yīng)符合結(jié)構(gòu)要求，避免過大或過小，以免影響整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，洞口的位置也應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的受力分布，避免將洞口設(shè)置在剪力墻的關(guān)鍵部位。剪力墻開洞大小設(shè)計(jì)應(yīng)滿足規(guī)范要求，剪力墻開有邊長小于800mm的小洞口、且在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算中不考慮其影響時(shí)，應(yīng)在洞口上、下和左、右配置補(bǔ)強(qiáng)鋼筋，補(bǔ)強(qiáng)鋼筋的直徑不應(yīng)小于12mm，截面面積應(yīng)分別不小于被截?cái)嗟乃椒植间摻詈拓Q向分布鋼筋的面積。穿過連梁的管道宜預(yù)埋套管，洞口上、下的截面有效高度不宜小于梁高的1/3，且不宜小于200mm，洞口處宜配置補(bǔ)強(qiáng)鋼筋，被洞口削弱的截面應(yīng)進(jìn)行承載力驗(yàn)算。剪力墻的門窗洞口宜上下對(duì)齊、成列布置，形成明確的墻肢和連梁，應(yīng)力分布比較規(guī)則，又與當(dāng)前普遍應(yīng)用程序的計(jì)算簡圖之間保持契合，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，保證設(shè)計(jì)方案的安全可靠。同時(shí)宜避免使墻肢剛度相差懸殊的洞口設(shè)置?？拐鹪O(shè)計(jì)時(shí)，一、二、三級(jí)抗震等級(jí)剪力墻的底部加強(qiáng)部位不宜采用錯(cuò)洞墻；如無法