高層建筑剪力墻結構設計分析與探究

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摘要：隨著我國城鎮化建設的推進，高層住宅的建設數量與日俱增，剪力墻結構作為高層住宅中最主要的結構形式，在建筑工程領域應用最為廣泛，對其進行優化設計非常重要。本文將對剪力墻結構優化設計從結構概念角度及計算指標層面進行分析與探究。

關鍵詞：剪力墻結構；結構布置；結構設計；比值

引言

成熟的計算軟件基本解放了設計人員的繁重計算任務，然而過度地依賴軟件和長期的固有經驗有時又會影響設計人員對結構的科學性作出正確把握，這就要求我們必須明晰結構設計基本概念方能有效進行結構優化。

1高層建筑剪力墻結構概述

利用建筑物墻體作為承受豎向荷載和抵抗水平荷載的結構叫做剪力墻結構。整體而言，這種結構整體性好、側向剛度大、水平荷載作用下側向變形相對較小；缺點是墻體間距小，平面布置不太靈活，結構自重比較大，這種結構不宜用在對大空間有強烈要求的公共建筑上。然而這種以彎曲型側向變形為主的結構對滿足小空間的高層住宅及酒店有著非常好的優勢。

2高層建筑剪力墻結構優化設計

2.1結構布置的原則

合理布置剪力墻對于結構設計十分重要性。眾所周知，在剪力墻平面布置中，應盡可能地使結構的質量中心和其剛度中心接近或重疊，這樣對減小結構扭轉效應有著顯著的作用，因此勢必要求剪力墻結構平面布置上要盡可能簡單、對稱、規則、且兩個方向的抗側剛度相接近。同時為了保證豎向抗側剛度及承載力不會發生較大突變，豎向抗側力構件同樣要求規則、均勻、連續且質量沿高度亦應均勻分布。

2.2特殊墻肢的使用

結構設計一定要注意特殊墻肢的使用，如短肢墻，一字墻，異形柱等，對于高層剪力墻結構，由于特殊墻肢使用數量過多，導致結構剛度差，一旦發生地震，結構剛度退化迅速，變形嚴重，地震防御能力將嚴重喪失。同時，短肢墻、異形柱此類構件在承受荷載較大時，軸壓比控制不當，容易造成過早壓壞引起樓板坍塌危險；特別是一字短肢墻，不僅具有短肢墻的缺點，同時還存在穩定性差的特點，這些特殊墻肢在結構布置時一定要盡量少用，最好不用。

2.3構造措施的運用

構造措施對于提高結構延性至關重要。軸壓比的控制，邊緣構件的設置等都可以大大增加結構的塑形變形能力，是實現結構底部預期破壞模式的重要保證。在邊緣構件設置中，要注意過渡邊緣構件的合理設計，過渡邊緣構件的靈活設置是抗震概念設計和性能化設計的重要內容，在結構設計中往往被忽視。過渡邊緣構件的體積配箍率特征值規范尚未給出明確規定，設計時可參考約束邊緣構件和構造邊緣構件體積配箍率特征值之和的平均值采用，即可取（λV+0.1）/2進行計算。對于構造邊緣構件中的縱筋配置應按承載力計算和構造要求二者中的較大值設置，對于計算配筋者，切忌盲目按構造配置，否則容易造成剪力墻的截面脆性破壞。

2.4加強部位的選取

高層剪力墻結構設計的最重要概念之一結構嵌固端選取，合理選取嵌固端是結構力學計算前提條件。嵌固端理論上是一個端面，它是約束結構所有位移和轉角的特殊部位，即在該處，所有結構的位移和轉角均為零，然而實際工程中這樣的理論位置并不存在，工程中我們假設的嵌固部位是這樣一個區域——結構預期塑性鉸出現的部位，換言之，在塑性鉸可能出現的部位我們通過人為加強其構造，從而保證結構破壞具有足夠的延性，不致結構直接倒塌，這是設置底部加強部位的終極目的。

設置底部加強部分固然重要，但考慮到經濟性，通常取地下室頂板作為結構嵌固部位，這在實際工程設計中意義重大。首先，無論結構在該處是否具有嵌固條件，該位置的嵌固作用或大或小均是客觀存在的，進行多位置嵌固包絡設計又會大大增加結構設計工作量。其次，規范明確規定約束邊緣構件設置范圍下至嵌固端，下移嵌固端時約束邊緣構件設置范圍隨之增大，進而經濟成本隨之增加，特別是多層地下室結構，當嵌固端移至基礎頂面時經濟成本增加尤為明顯，這是不可取的。

2.5各計算指標的把控

本小節著重對工程設計中的一些重要計算指標進行分析，并給出其優化設計的建議。

（1）軸壓比：柱（墻）軸壓力設計值與柱（墻）的全截面面積和混凝土軸心抗壓強度設計值乘積之比。它是影響墻柱抗震性能的主要因素之一，規范通過限制軸壓比保證柱墻具有良好的延性和耗能能力。比值超限時，可以通過增大該墻、柱截面或提高該墻、柱混凝土強度從而降低該數值；當比值接近限值時，對于柱子可以通過構造措施提高其延性進而放大其限值。

（2）剛度比：結構不同樓層的側向剛度的比值。該值主要為了控制結構的豎向規則性，以免豎向剛度突變，形成薄弱層。對于地下室結構頂板能否作為嵌固端，轉換層上、下結構剛度能否滿足要求以及薄弱層的判斷，均以該比值作為依據。當比值不滿足時，通常可適當降低本層層高和加強本層墻、柱或梁的剛度，適當提高上部相關樓層的層高和削弱上部相關樓層墻、柱或梁的剛度以實現剛度合理分布。

（3）周期比：結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1比值。該值主要為控制結構扭轉效應，減小扭轉對結構產生的不利影響。比值不滿足時，說明結構扭轉效應過大。總的調整原則是加強結構外圍墻、柱或梁的剛度，適當削弱結構中間墻、柱的剛度。特別是對于設置轉角窗的結構，加強角部梁截面對于抵抗扭轉非常有利。

（4）剪重比：即最小地震剪力系數λ。該比值主要是控制各樓層地震剪力，尤其是對于基本周期大于3S的結構，以及存在薄弱層的結構。根據該比值的大小判斷結構布置是否合理，大致可做如下判斷：a）當地震剪力偏小而層間位移角偏大時，說明結構過柔，宜適當加大墻、柱截面，提高剛度；b）當地震剪力偏大而層間位移角偏小時，說明結構過剛，宜適當減小墻、柱截面，降低剛度；c）當地震剪力偏小而層間位移角又恰當時，可通過放大地震作用以滿足剪重比要求。

（5）位移比：即樓層豎向構件的最大水平位移與平均水平位移的比值；層間位移比即樓層豎向構件的最大層間位移角與平均層間位移角的比值。該比值的控制主要是為了保證結構具有必要的剛度，合理的結構平面布置，避免扭轉過大對結構抗震不利。當該比值不滿足時，通常加強最大位移點處或附近的抗側構件剛度是最直接有效的辦法。

（6）剛重比：結構的側向剛度與重力荷載設計值之比。它是影響重力二階效應的主要參數，且重力二階效應隨著結構剛重比的降低呈雙曲線關系增加。高層建筑在風荷載或水平地震作用下，若重力二階效應過大則會引起結構的失穩倒塌，控制好結構的剛重比可以避免結構在風載或地震力的作用下整體失穩。該比值不滿足時，只能通過人為改變結構布置，加強墻、柱等豎向構件的剛度。

（7）層間抗剪承載力之比：顧名思義，為相鄰上下兩層或若干層的抗剪承載力之比。該比值是結構豎向不規則性的直接反應，合理的比值是防止出現豎向樓層受剪承載力突變，形成薄弱層的有力保障。該比值不滿足時，可適當提高本層構件強度（如增大配筋、提高混凝土強度或加大截面）以提高本層墻、柱等抗側力構件的承載力，或適當降低上部相關樓層墻、柱等抗側力構件的承載力。

結束語

高層住宅剪力墻結構的優化設計目的不僅僅為了降低工程造價，更要是保證結構安全可靠，同時兼顧處理好建筑各功能要求，最終實現結構優化設計的實際意義。

參考文獻：

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