談高層剪力墻結構的優化設計

周時信

摘 要：介紹了剪力墻結構的概念，并以某高層建筑為例，探析了高層剪力墻結構的優化設計。

關鍵詞：高層建筑；剪力墻；結構方案；優化設計

中圖分類號：TU973.6 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.04.148

隨著社會經濟的快速發展，我國的建筑行業得到了前所未有的發展。但是，隨著城市化進程的不斷加快，我國高層建筑的發展速度也越來越快。高層建筑通常采用剪力墻結構，那么如何才能保證高層剪力墻結構在安全的前提下，不斷實現高層剪力墻結構的優化設計，并提高其結構設計的經濟性已經成為當今社會和建筑行業的熱點話題。

1 剪力墻結構的概念及結構能效

剪力墻結構是建筑的主要承載部分，并且還是承擔地震、風等傳遞水平載荷導致的軸力、剪力以及彎矩等結構構件，同時也是建筑的分隔墻和圍護墻，所以在布置剪力墻的過程中，應該滿足建筑物的結構布局和平面布局，剪力墻結構的開間相對較小，高層建筑的樓層蓋板通常選用現澆的混凝土結構平板，這樣，其空間結構的利用率更高，能夠有效節約建筑的層高。剪力墻結構的整體性和空間作用都非常好，并且具有很強的承載性能和抗側力性能，因此，許多高層建筑都采用剪力墻結構。但是，剪力墻結構也具有許多缺點，例如建筑物的布置方案相對固定、不靈活，空間間距有很大的限制，不適合空間較大的建筑，而適用于高層的小空間建筑以及住宅等。

2 剪力墻結構的優化設計

2.1 工程概況

本文以某高層建筑為例，該高層建筑總共16層，還有2層地下室，總建筑面積為1.075×105 m2，地下室主要用于物業辦公以及車庫，地上首層為商業層，層高為3.5 m，其余為住宅，層高均為2.85 m，該高層建筑的建筑類別為丙類。該高層建筑的剪力墻結構的參數表現為：地下層以及1層的剪力墻厚度為250 mm，2層以及2層以上的外墻為200 mm，內墻為180 mm。原設計方案中，其剪力墻結構在X方向的最大層間位移角為1/2 376，Y方向的最大位移角為1/1 623.通過對剪力墻結構進行優化設計之后，剪力墻結構在X方向的最大層間位移角降低至1/1 901，Y方向的最大位移角降低至1/1 417，經過優化設計之后，不但提高了高層剪力墻結構以及整體建筑的穩定性，還節約了大量的梁、板、墻等的鋼筋以及混凝土的用量，顯著地降低了建筑成本，具有非常好的經濟性。

2.2 高層剪力墻結構的優化設計

2.2.1 高層剪力墻結構方案的優化設計

高層剪力墻結構的設計方案多種多樣，在選擇高層剪力墻結構方案時，應該選擇正確的建筑結構體系以及構件需要的材料。層數低于20層時，通常采用短肢剪力墻結構方案。該種結構設計方案的水平地震剪力、周期和位移等都能夠被控制在合理的范圍內，并采用現澆剪力墻結構，合理地將鋼筋混凝土墻置換成砌體或者磚墻，這樣不僅能夠提高建筑結構的整體剛度，減輕結構的自重，還能夠有效降低工程成本。對于層數超過20層的建筑，如果采用短肢剪力墻結構方案，結構較軟，結構頂點位移以及層間位移就不能夠滿足相關的設計要求，并且剪力系數較低，影響建筑整體結構的穩定性和安全性，因此，采用全現澆剪力墻結構方案，當結構剛度計算值偏大時，可以在較大的墻肢上增設結構洞，并將窗臺改設為磚或者砌體等進行微調，這樣能夠增加結構的延性，提高剪力墻結構的整體抗震性能。

2.2.2 剪力墻結構墻體配筋的優化設計

剪力墻結構墻體配筋的優化設計，首先應該選擇質量好的鋼筋，并且鋼筋材料在進場之前，應該檢查其是否具備生產許可證、合格證以及其他相關的證明資料。只有檢查合格之后才允許材料進場，剪力墻結構墻體配筋通常要求將豎向鋼筋放置在內側，水平鋼筋設置在外側。由于地下部分墻體配筋相對較多，并且土壓力和水壓力產生的側壓力相對較大，可以將地下建立墻結構墻體的豎向鋼筋設置在外側，將水平鋼筋設置在外側，配筋滿足規范建議以及相應工程計算的最小配筋率即可。這種根據高層建筑實際狀況的剪力墻結構墻體配筋的優化設計能夠顯著地降低墻體配筋用量，降低工程成本。

2.3 剪力墻結構連梁的優化設計

《高層建筑混凝土結構技術規范》中明確規定，跨高比超過5的連梁應該根據框架梁進行設計，也就是說跨高比超過5的連梁，其剛度不能折減，但跨高比在5～6之間的連梁，如果剛度不折減，就很容易出現剪力超限的問題，并且還會造成工程成本的浪費。使連梁跨高比變成超過6的框架梁，能夠顯著降低混凝土以及鋼筋的用量，降低工程成本。

2.4 層間層高比和最大位移的優化設計

根據相關的規定，在計算多遇地震作用標準值產生的樓層最大的彈性層間位移時，除了以彎曲變形為主的高層建筑之外，通常不扣除結構整體彎矩變形，并計入扭轉變形。因此，對于高層建筑來說，重點應該控制樓層間的扭轉變形和剪切變形。通過控制豎向構件的數量能夠控制剪切變形，單數豎向構件如果布置得不合理，同樣會造成較大的扭轉變形，因此，在高層建筑中，應該盡可能地降低扭轉變形，不能不經過分析就隨意增加豎向構件的剛度。

2.5 樓層最小剪力系數的優化設計

在滿足短肢建立墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩占結構總底部地震傾覆力矩小于40%的條件下，應該盡量減少剪力墻，以大開間剪力墻布置方案為目標，使樓層最小剪力系數接近于規范限制。這樣不僅能夠增大剪力墻結構的側向剛度，還能夠有效降低結構的自重，降低地震作用對建筑的影響和工程成本。

3 結束語

總之，當高層剪力墻的設計存在缺陷時，將會嚴重影響到剪力墻結構和整體建筑結構的安全性、穩定性，因此，高層剪力墻結構的優化設計已經成為當今社會關注的焦點。通過分析高層建筑的實際狀況，并根據相關的規定對高層剪力結構進行優化設計，不僅能夠顯著地提高高層剪力墻結構和整個建筑的穩定性，還能夠顯著地降低工程成本，對促進我國建筑行業的快速發展具有非常重要的作用。

參考文獻

[1]侯新寧.高層剪力墻結構住宅優化設計[D].太原：太原理工大學，2013（5）.

[2]王艷軍.高層建筑剪力墻結構優化設計淺析[J].山西建筑，2010，36（5）.

〔編輯：王霞〕