高層建筑剪力墻結構優化設計

喻廷平

(重慶市建筑科學研究院，重慶 400015)

0 引言

剪力墻的優點主要在于整體性強、用鋼量較小而且剛度大等，所以在高層建筑施工中得到了廣泛的運用。特別是像旅館這一類房間多的建筑結構當中，墻體所采用的一般都為剪力墻結構，這樣可以讓承重墻與分隔墻連為一體，從而使得其經濟適用。另外，使用剪力墻結構，不會有露柱與露梁的現象出現，保持了外形的美觀性，也拓寬了室內空間。雖然從上面幾點來看，剪力墻具備較多的優點，但是從其他方面考慮，也存在較多的問題:

1)由于高層建筑的剪力墻本身具有較大的抗側剛度，也就使得發生地震時，剪力墻會出現較大的反應，所以在剪力墻的上部結構以及下部結構當中投入的資金都會相應的增加;

2)墻體的澆筑主要是混凝土，使得其具有較大的重量，不僅會浪費材料，地震反應也較大;

3)在剪力墻的結構當中，各個墻肢不具備較大的軸壓，使得各個墻肢雖然具有一定的承載能力，但是因為軸壓的問題，不能夠正常的發揮出應有的性能。因此，在設計當中對于高層建筑的剪力墻，如果將缺點規避，發揮出剪力墻的優點，最終達到降低工程施工造價，提高施工質量，就成為設計者應當首先考慮的問題。隨著近幾年的一些成績，我們可以看出，高層建筑剪力墻的研究已經引起了有關設計人員的足夠重視。

1 在剪力墻結構構件當中對于含鋼量的控制

隨著社會大眾越來越高的建筑要求，在高層建筑當中，剪力墻結構已經占據了相當重要的地位。想要高層建筑結構的設計具有較大的經濟性，就需要從含鋼量入手，對于剪力墻結構進行控制。所以，在對高層建筑的剪力墻結構進行設計時，要從實際出發，根據設計要求詳細的進行結構的分析，從而確保在任何種情況下，能夠控制好最經濟的含鋼量，并且也能夠滿足結構的安全要求。從筆者多年的施工經驗、結構設計的累積來看，對于高層建筑物的剪力墻最為合適的含鋼量都有了一定的標準，對于設計也就起到了一定的建設性和指導性的意見。合適含鋼量統計表如表1所示。

表1 合適含鋼量統計表

2 選擇效率較高的剪力墻結構方案

只有當建筑結構的施工安全得到了保障之后，才能夠在諸多的方案中進行對比選擇，并且還應考慮工程造價能夠在最低限度的情況下，選取適合此高層建筑的結構形式。

在框支剪力墻的結構當中，短肢剪力墻結構也是一個很好的選擇。在框支剪力墻的結構中，為了盡量將上下層的剛度變化適度，可以采用短肢剪力墻結構這一減少了剪力墻剛度的方式。例如使用加大下一層的剛度，其經濟效益就較為明顯。

如果高層建筑物的層數大于18，最好還是選取普通剪力墻結構。如果將短肢剪力墻結構運用到層數過大的建筑結構當中，會導致其剛度不達標，從而導致結構的安全性能也受到其影響。

3 在剪力墻結構優化設計中的有效措施

3.1 需要對轉換層結構設計尤為注重

從高層建筑的要求來看，現代居民希望建筑物所擁有的功能多種多樣，考慮到現在大樓具有較強的綜合性能，尤其是在使用方面，上部與下部的機構不同。因此，在選擇高層建筑物自身的結構布置時，就需要考慮相應的變化，在設計布置當中，需要將轉換層的結構設置好。我們需要重視剪力墻結構的設計，考慮到在高位轉換的底部大空間當中，其結構相對復雜。因為在進行高位轉換時，剛度和質量較大的轉換層升高，有效的將其本身與上下的剛度調整到接近的地步是非常必要的，而對于轉換層自身而言，其質量與剛度都不適宜較大，在最終時，是否能夠確保轉換層附近的層間位移角基本達到均勻的情況，就需要在水平作用力的作用之下，進行空間精確分析，檢查其均勻情況。采用轉換層結構形式時，在選擇上，偏向于重量與剛度皆偏小的材料，在實際的計算中，對于參與到了組合的振型數需要多多的進行選擇。通過計算，我們能夠計算出在結構當中，哪一部分才是最薄弱的，然后再通過內力分配特點的具體研究，改善薄弱部位的設計性能，適當的對于構件的配筋進行相應的調整，從而達到改善薄弱部位性能的目的。

3.2 對于連梁設計的有效優化

在設計連梁的抗震與非抗震的時候，在高跨比的分類之上，主要是有小于2.5和大于2.5兩種，并且對于截面配筋以及受剪承載力兩個方面都有了相應的規范。而可以使用以下兩種方式針對塑性調幅:

1)在進行內力計算之前，就需要拆減連梁的剛度;

2)在進行內力計算之后，連梁的剪力與彎矩的組合值還需要乘上一個折減系數。

但是，我們應當明確的是，無論是選取了哪一種，都需要確定在實際使用階段當中的剪力與彎矩的設計值，都要小于調整后的值。此外，在設計彎矩時，也必須大于設防烈度低一度的地震組合所得。從而對于正常使用情況之下，亦或是在小型的地震發生之后，對于裂縫進行有效防止，最終達到確保高層建筑物的安全性能。

3.3 轉換層上下部結構優化設計

1)在轉換層的上下剛度的傳遞放縱，剪力墻布置存在的影響。

如果要能夠準確的傳遞上下兩種不同結構形式的內力，首先需要考慮到剛度突變，而對于轉換層上下的結構可以通過兩種方式將剛度突變的問題加以解決:

a.將上部的剛度減少，也就是在上部當中，能不設置剪力墻就盡量的避免設置，當滿足了軸壓比時，確保墻肢盡可能的短;

b.將下部的剛度進一步的加大，在建筑滿足了功能之下，再恰當的布置若干的落地剪力墻在大空間層之內，此外需要避免集中，將剪力墻均勻的分布于其中。

2)需要合理的選擇轉換層上下部結構剛度。

如果剪力墻轉換層剛度過大，不但會增大地震的反應以及豎向剛度的提高，更會增加材料的使用量，從經濟的角度考慮是極為不合理的。如果剪力墻轉換層剛度過小，就可能出現沉降差，進而使得明顯的次應力在上部結構與水平結構之間出現(其水平結構是與上部結構相連接的)，從而增加了配筋量。而表現最為突出的就是在正交主次轉換梁結構中對于次梁的轉換。在這個時候，不僅需要對于截面尺寸進行合理的選擇，也需要考慮到剛度是否滿足設計的要求。

4 結語

在設計高層建筑結構當中的剪力墻結構的使用，需要將結構的抗側剛度較大以及外觀簡潔、美觀等方面的優點充分的發揮出來，又能夠做到降低工程造價，這才是目前高層建筑設計人員應該重視的前提。在文章中，筆者主要從選擇結構、配筋的優化等方面對高層建筑剪力墻結構的優化設計進行了分析，希望能夠得到各位業界同行的點評與借鑒。

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