高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析

陳光華

（貴州深港中天建筑設(shè)計有限公司 貴州 貴陽 550000）

1 引言

高層建筑之所以常使用剪力墻結(jié)構(gòu)是因為剪力墻結(jié)構(gòu)不僅僅具有綜合性強的特點，還具有投資成本低和堅韌度高的特點。和框架結(jié)構(gòu)相比較，剪力墻結(jié)構(gòu)的外觀也更加美觀。伴隨著社會大眾對剪力墻結(jié)構(gòu)的不斷重視，剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高層建筑也是越來越普遍，雖然相關(guān)的章程對剪力墻結(jié)構(gòu)沒有具體的規(guī)定，但是作為工程質(zhì)量的保證，優(yōu)化剪力墻結(jié)構(gòu)是核心所在。

2 高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計簡析

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項系統(tǒng)性的設(shè)計工作，這主要體現(xiàn)在設(shè)計重要性、設(shè)計前提、設(shè)計特點、設(shè)計原則等方面。以下從幾個方面出發(fā)，對高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了分析：

2.1 設(shè)計重要性

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計有著非常高的重要性。眾所周知，高層建筑是社會生產(chǎn)發(fā)展和人們生活需求的產(chǎn)物，并且本身也是現(xiàn)代化商業(yè)化工業(yè)化和城市化的必然結(jié)果。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展、社會的進(jìn)步以及城市人口密度的持續(xù)提升，高層建筑正在逐步成為當(dāng)今建筑最為重要的發(fā)展趨勢，并且也成為了城市現(xiàn)代化的象征。因此，為了能夠有效地滿足高層建筑的抗震性和經(jīng)濟性，對于剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究就具有重要的理論和實踐意義。

2.2 設(shè)計前提

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計有著必要性的前提。例如，設(shè)計人員在設(shè)計一幢高層建筑時可以將這一建筑看成一根豎直放置于嵌固于地基的開孔帶。其次，由于高層建筑多為巨型空間構(gòu)架，因此建筑的剪力墻不僅僅需要承受所有重力荷載的作用，并且還需要保持穩(wěn)定。與此同時，要保證各種建筑內(nèi)部的裝飾、填充墻等不會在地震等問題中受到損壞，還需要提供建筑內(nèi)部工作、生活的人們有一個舒適的環(huán)境，因此其設(shè)計需要將剪力墻變形控制在允許范圍內(nèi)。

2.3 設(shè)計特點

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計自身有著獨特的特點。眾所周知，剪力墻結(jié)構(gòu)在水平力作用下往往容易出現(xiàn)彎曲型的側(cè)向變形，其變形特點如下：水平荷載作用下的變形特征和其高寬比之間的關(guān)系為H/bw＞2（高墻），彎曲型變形；1≤H/bw≤2（中高墻），彎曲型變形與剪切型變形；H/bw＜1（矮墻），剪切型變形，其破壞形式如圖1 所示。

圖1 剪力墻結(jié)構(gòu)破壞形式示意圖

由于剪力墻結(jié)構(gòu)承受的豎向荷載和水平荷載都較大，使得高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)具有很好的整體性和側(cè)向剛度。但需要注意的是，高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)由于不能夠提供大空間房屋并且結(jié)構(gòu)延性通常來說也較差，因此這在很大程度上限制了高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計空間，例如許多高層建筑的內(nèi)部房屋只能以小房間為主。

2.4 設(shè)計原則

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計需要遵循相應(yīng)的設(shè)計原則。設(shè)計人員在進(jìn)行高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計時首先應(yīng)當(dāng)進(jìn)行樓層最低剪力系數(shù)的計算，并且在計算完畢后通過復(fù)核來確保計算結(jié)果非常接近規(guī)范值。其次，設(shè)計人員在進(jìn)行高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)當(dāng)控制好結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的自振周期T1之比，并且確保其不會大于該樓層平均值的1．5 倍。這一情況主要是為了能夠減輕結(jié)構(gòu)自身的重量，并且還能夠在此基礎(chǔ)上有效地減少地震造成的破壞，最終達(dá)到降低高成績建筑整體工程造價的目的。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化措施

3.1 加強剪力墻結(jié)構(gòu)均衡設(shè)計

高層剪力墻結(jié)構(gòu)的均衡設(shè)計需要工作人員使用合理的對策，促進(jìn)剪力墻結(jié)構(gòu)的受力平均，這不僅僅可以提高工程的安全性能和結(jié)構(gòu)的合理性，而且還可以節(jié)約高層建筑的造價成本。剪力墻結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計需要工作人員依據(jù)建筑物的平面布局狀況得出剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方案，在設(shè)計人員設(shè)計好剪力墻結(jié)構(gòu)方案的同時還要制定出符合設(shè)計要求的管理條例，加強對剪力墻結(jié)構(gòu)的檢查和監(jiān)督，增強施工人員的安全意識和管理團隊的科學(xué)管理水平，保證施工人員嚴(yán)格按照設(shè)計方案和施工圖紙進(jìn)行施工，保障施工的質(zhì)量，特別是剪力墻結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

3.2 高層剪力墻結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計

①剪力墻設(shè)置方向上應(yīng)該沿著主軸的方向完成雙向的設(shè)置，這樣能夠保證空間結(jié)構(gòu)的完整性；對于避震用的剪力墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)該盡量防止出現(xiàn)剪力墻的單向布置，而在不同的受力方向上的抗側(cè)剛度的大小上也應(yīng)該盡量相等，這樣能夠使得建筑內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)工作性能的穩(wěn)定性得到相應(yīng)的保證。在保證剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度以及承載力上的條件之后，可以對剪力墻的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，盡量減小其結(jié)構(gòu)的重量，從而增加建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可操作空間。②對于剪力墻墻肢的截面來說，應(yīng)該盡量保證其簡單和規(guī)則。為了保證剪力墻結(jié)構(gòu)在豎向上的剛度及應(yīng)力的規(guī)則，需要保證剪力墻在門窗等位置上對齊的進(jìn)行布置，能夠使得結(jié)構(gòu)設(shè)計的簡單和安全。對于墻肢上剛度相差較大的洞口，需要將墻內(nèi)的鋼筋設(shè)置成一定的框架模式來應(yīng)對可能出現(xiàn)的錯洞或者疊合錯洞的情況。對于出現(xiàn)的較長的剪力墻，為了對其結(jié)構(gòu)的剛性進(jìn)行保證，防止出現(xiàn)以為脆性出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)的剪切破壞，應(yīng)該在合適的位置開設(shè)洞口，保證分開的墻體的高度在截面長度的兩倍之上，并且需要利用弱連梁進(jìn)行連接。在剪力墻平面外的穩(wěn)定性方面，因為剪力墻在平面內(nèi)外上的剛度和承重能力上的不同，應(yīng)該通過設(shè)計平面外的彎矩來對剪力墻平面外的穩(wěn)定性進(jìn)行保證。當(dāng)出現(xiàn)剪力墻平面外的樓面與剪力墻墻肢的連接時，應(yīng)該采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣韺B接部分彎矩對墻的影響進(jìn)行控制。

3.3 剪力墻結(jié)構(gòu)墻體配筋的優(yōu)化設(shè)計

關(guān)于墻體配筋在剪力墻結(jié)構(gòu)中的優(yōu)化設(shè)計，首先要選擇優(yōu)質(zhì)的材料，其中鋼筋材料，質(zhì)量驗收合格是鋼筋進(jìn)場前的首要工作，剪力墻結(jié)構(gòu)墻體配筋大多數(shù)需要把垂直鋼筋安置在內(nèi)部，水平鋼筋安置在外部。這是因為地底下的墻體配筋相對于其他部分較多，而且地下水壓和土壓造成的壓力較強，剪力墻結(jié)構(gòu)的配筋通常符合建議標(biāo)準(zhǔn)和工程測算的最小配筋率即可。依據(jù)實際現(xiàn)狀制定的剪力墻優(yōu)化設(shè)計能夠較好的減少投資成本。對剪力墻厚度的選擇尤為重要，不必特意把最小厚度定為200mm，在滿足結(jié)構(gòu)計算要求的前提下也可采用180mm 或160mm 剪力墻。同時，剪力墻的高度和厚度息息相關(guān)，其參考標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 剪力墻允許高厚比

3.4 剪力墻結(jié)構(gòu)連梁的優(yōu)化設(shè)計

相關(guān)剪力墻結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)中明確提出，如果連梁的跨高比大于5的時候，就需要按照框架梁的要求展開設(shè)計，這也就是表示，跨高比大于5 的連梁，它的剛度不可以減少，然而當(dāng)連梁的跨高比在5～6 時，一旦剛度不減少，很有可能造成剪力過大，使得建設(shè)工程的成本增加，浪費資源。解決方法就是使跨高比大于6，這樣就可以減少鋼筋與混凝土的使用量，節(jié)約投資成本。

3.5 層間位移比和最大位移的優(yōu)化設(shè)計

依據(jù)規(guī)定，在核算常遇地震作用標(biāo)準(zhǔn)值造成的樓層最大的彈性層間位移時，把高層變形建筑物排除以外，大多數(shù)不扣除整個結(jié)構(gòu)的彎矩變形，同時算入扭轉(zhuǎn)變形。所以，以高層建筑為例，首要的任務(wù)是制止樓層間和剪切變形。根據(jù)制約的垂直構(gòu)件數(shù)量可以制約剪切變形，一旦單數(shù)構(gòu)件布置不科學(xué)，就會產(chǎn)生很大的扭轉(zhuǎn)變形。所以要采取適宜措施減少扭轉(zhuǎn)變形，且不可以隨意增設(shè)構(gòu)件的剛度。

3.6 樓層最小剪力系數(shù)的優(yōu)化設(shè)計

在符合短肢剪力墻承擔(dān)的第一振型底部地震傾覆力矩占結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩低于40%的情況下，需要最大限度降低使用剪力墻，將大空間剪力墻布置方法作為目的，促進(jìn)樓層最低剪力系數(shù)靠近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。此方法的應(yīng)用可以加大剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度和減少自重，將地震作用造成的消極作用降到最小。

4 結(jié)束語

綜上所述，可知高層建筑作為建筑行業(yè)發(fā)展主流，勢必會得到更加顯著的發(fā)展，剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用更加適應(yīng)高層建筑需求。剪力墻結(jié)構(gòu)盡管其延性比較差，同時也不具備一定的抗壓性，但是其成本低，其他性能也比較突出。因為高層建筑類型以及具體要求都不同，因此設(shè)計人員對其設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化，以免犯經(jīng)驗主義錯誤，影響高層建筑性能。

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