淺談剪力墻結構高層建筑的優化設計方法

摘 要：建筑業作為支柱產業，在促進地方經濟建設中發揮著重要作用。其中以剪力墻為主的高層建筑結構體系又是這一時代的典型代表。因此，在結構設計中應充分考慮其經濟性與合理性。文章通過分析剪力墻結構的特點，針對剪力墻結構高層建筑的設計原則與優化設計方以進行探討。以期為優化高層建筑結構體系，有效節約工程造價提供理論參考。

關鍵詞：剪力墻；高層建筑；優化設計

1 剪力墻結構的特點

剪力墻是一種能夠較好的抵抗水平荷載的墻體結構。剪力墻由于可以有效的抵抗建筑的水平荷載，所以在建筑總體的墻面結構上就表現出以下幾個特點：室內墻面較為平整：結構自重大，吸收地震的能量大；抗側剛度大，側移小；一般情況下，剪力墻體的墻肢截面高度與厚度之比非常大，在水平荷載力的作用下，通常抗剪剛度會起到有效的控制作用，因此它的耗能較差。所以常常將其應用在20層數以上的高層或特高層建筑設計中，當剪力墻的洞口較小的時候，剪力墻整體的性能是比較好的，剪力墻截面彎曲程度的破壞極限承載力可以依據全截面的抗彎計算。其次，應用剪力墻結構設計，會給室內框架結構呈現出簡潔，沒有露梁與露柱的現象，建筑外形也會美觀許多，更便于室內的裝飾和布置。但也存在著很多的缺點，比如由于建筑剪力墻結構的抗側剛度很大，就會引起比較大的地震反應，使得建筑上部的結構體和基礎建設費用會增高；由于建筑工業混凝土墻體所呈現出的特點，使得高層建筑的重量增加，這也同樣會引起較大的地震反應，進而造成資源上的浪費。

2 剪力墻結構高層建筑的設計原則

2.1 調整樓層最小剪力系數方面的原則

設計中剪力墻結構的布置要盡量減小，大開間的剪力墻結構布置是最好的設計方案，側向剛度結構可以達到較為理想的狀態。樓層間的剪力系數盡量小，但不能超出規范的極限范圍，短肢剪力墻承受的地震傾覆力矩于整體總底部承受的地震傾覆力比要小于或等于1：4，這樣既可以減輕結構自重，同時降低了地震帶來的危害又可以節約用費。

2.2 調整樓層間最大位移與層高之比方面的原則

規范規定的最大的樓層間的位移在計算的時候，如果樓層地區地震比較頻繁，所用的標準值產生的樓層計算可以保留在結構的整體彎曲變形，應該計入扭轉變形在以彎曲變形為主的高層建筑中。高層建筑重點考慮的方面就是樓層間的扭轉和剪力變形。結構的剪切變形由豎向構建的數量決定著，在建設施工中，有足夠多數量的構件還是遠遠不夠的，更要考慮構建的布局是否合理，如果不合理，就會產生過大的扭轉變形，樓層間的位移就達不到要求。因此，對于高層建筑而言，不能只是以樓層間的位移來確定豎向構件的剛度，而應該盡量減小扭轉變形。

2.3 調整剪力墻結構連續超限方面的原則

剪力墻結構的連續跨高比太小會導致彎矩出現及剪力過大，超過規范限度，跨高比一般大于或等于2.5。規范規定，在跨高比小于5的時候，連續梁不能夠拆減。跨高比的正確選擇，可以很好地避免彎矩及剪力過量，可保持在規定范圍內。在結構設計時，如果可以有效合理的用上這些，可以大大降低工程成本。

剪力墻結構不只應該符合相關規定，在設計時要考慮多方面的因素，建筑物的平面、立面應盡量均勻，剪力墻結構應盡量遠離房屋中心，以保證房屋整體的抗扭。

3 剪力墻結構高層建筑的優化設計方法

3.1 上部剪力墻設計

在其設計時要以減輕自重，增強剛度，增強抗震能力為主。減輕結構自重，最直接的辦法是減少混凝土用量。在樓板設計中，由于樓板覆蓋整個建筑面積，占據整個建筑的相當一部分重量，這就要求進行樓板厚度控制，減小樓板厚度，即為減少單位面積的混凝土使用量，把樓板厚度控制在滿足建筑質量要求的范同內，滿足板的厚度和計算跨度要求的比值.并滿足防火與設計管線的要求的100mm，以有效地控制混凝土的消耗，以降低樓板自身重量。

在剪力墻設計時，在考慮樓板混凝土消耗的同時，要考慮到剪力墻的自身重量，以較少的混凝土使用來降低剪力墻重量。在建筑設計時，按照開間擴大剪力墻之間的距離，用輕質隔墻來代替一部分墻體，這就有效降低了混凝土的使用量；再就是用梁柱來代替樓板，在隔墻處設置梁，將樓板的厚度控制在100mm，這不僅降低了混凝土的使用量，而且很大成分有了可用空間，但要注意，由于建筑開間和進深一般都較小，而取梁寬又與隔墻具有相等厚度，所以在設計時，要進行寬度測量，避免露梁。剪力墻自身厚度的減少，也是實現自身重量降低的一種有效方式，在工程實踐中，一般剪力墻厚度分為200mm和300mm兩種，沿高度分為兩次變化，即為由低到高和由高到低，如由低到高為200mm至300mm，反之則是由高到低，這就要求在設計時，對剪力墻厚度進行控制，在符合厚度標準的同時，盡量相對較少剪力墻厚度，以減輕剪力墻重量。

剪力墻的抗震性是由剪力墻的剛性決定的，這就要求在剪力墻設計時，要注意剛性設計。在進行結構縱向布置時，高層建筑的側向剛度應當下大上小，避免剛度變化，對該工程而言，其屬于高層轉位，轉換層的上下等效側向剛度比例應該接近1.1，不能夠大于1.5，在設計中，要強化下部，弱化上部，盡量避免薄弱層的出現，盡可能的使用剪力墻落地，在必要的部分采用L型剪力墻，這就增大了底部剛度：底層要加大剪力墻的厚度，上部剪力墻厚度降低，而轉層一下剪力墻的厚度區為250mm，上部厚度為200mm，這就有利于基層的穩定，增強了防震性。其次，底部剪力墻在設計時盡量不要開洞，若處于需要進行開洞時要開小洞，在較長的墻體上開設結構洞時，要用輕質墻體進行填充，以避免剛度削弱太多；適度進行剪力墻間距擴展，以減小剛性。

3.2 轉換層設計

目前轉換層的做法有巨型梁轉換、厚板轉換層等，而以轉換梁的型式最為常見，它設計簡單，廣泛用于底層大空間剪力墻結構中，在進行設計時，要注意層剛比，使用彎剪剛度，而不是剪切剛度，進行層抗剪承載能力比例設計，根據強轉換弱上部原則進行設計，根據強柱弱梁的原則進行框支架設計，這樣可以有效提升建筑的抗震能力。具體來看，首先要減輕轉換層自重。出于對建筑安全性以及抗震能力的考慮，轉換層設計時，控制樓板厚度，優先考慮梁系轉換，將梁高定于2.5米，梁寬定于1.5米、1.8米和2.1米，而不是將所有轉換層以厚板材料來設計，這就相對減輕了轉換層的自重，同時也有效的控制了厚板材料帶來的經濟投入，在一定程度上降低了建筑成本。其次，轉換梁使用彎剪剛度，合理調整層抗剪承載能力比例，存設計時采取部分封底，形成箱形，這就有效地以空間的形式提升了建筑承載力，將轉換層上下板厚控制在200mm，而對于部分箱型轉換層，提升其挖空率，這不僅節省了混凝土的使用量，而且在很大程度上降低了轉換梁的重量，而這正加強了梁的抗扭剛度，提升了建筑的抗震力。最后，在轉換梁與中筒連接設計中，將鋼筋混凝土柱設置在在轉換層的高度范圍簡體處，加強兩者之間的連接，這就在穩固了上層建筑體的同時，有效地防止了地震發生而造成的脫節現象。

4 結束語

總之，在實際工程設計中，合理的剪力墻布置以及采用合理的計算模型都至關重要，既要滿足建筑的需要，又要保證結構的安全。另外，在施工圖的繪制中，應該注意一些表達，使之既滿足規范要求又達到了節約工程造價的目的。

參考文獻

[1]全國民用建筑工程設計技術措施（混凝土結構）[M].北京：中國汁劃出版社.

[2]孫海濤，等.某高層剪力墻住宅結構設計與應用[J].建筑技術，2011.