高層建筑剪力墻結構優化設計分析

王俊宏

摘要：隨著我國經濟的不斷增長，建筑行業的快速發展，高層建筑的施工質量問題越來越引起了人們的重視。其中，剪力墻結構體系剛度大，整體性好，抵抗側向變形能力強，抗震性能較好，在我國高層住宅、賓館等居住性建筑中廣泛使用。本文筆者通過多年的工作經驗及結合相關資料對高層建筑剪力墻結構優化設計展開分析。

關鍵詞：高層建筑；剪力墻；結構設計

1 高層剪力墻結構的受力特點

剪力墻結構是以剪力墻及因剪力墻開洞形成的連梁組成的結構，是用鋼筋混凝土墻來抵抗豎向荷載和水平力，其變形特點為彎曲型變形。剪力墻結構中，墻是一平面構件，它除承受沿其平面作用的水平剪力和彎矩外，還承擔豎向壓力，是在軸力、彎矩和剪力的復合狀態下工作。其受水平作用下似一底部嵌固于基礎上的懸臂深梁，在地震作用或風載下剪力墻除滿足剛度強度要求外，還必須滿足非彈性變形反復循環下的延性、能量耗散和控制結構開裂而不倒的要求，墻肢必須能防止墻體發生脆性剪切破壞。對剪力墻結構，結構設計人員主要考慮的問題是水平荷載、軸向變形、結構側移及結構延性等方面。

2 剪力墻結構的優化設計中的注意事項

剪力墻的優化方案可從結構樣式、墻體截面和施工材料方面著手。分析建筑的功能需求，同時控制施工的成本，探究適宜的結構體系。相對于高度較小（20 層）的建筑，考慮使用短肢剪力墻的結構方案。但對于樓層較高的建筑結構，短肢結構的承載能力與強度并不能滿足高層建筑的需求，采用傳統方式澆筑的剪力墻軸壓較小，這樣不僅耗費的資金多，而且不能保證剪力墻的承壓能力達到標準。相對與20 層以下建筑可采用短肢剪力墻的設計，其抗震性能可以達到一般的標準要求，并且因為短肢墻的建筑過程可用其他材料代替鋼筋混凝土（如磚塊），鋼筋混凝土的用量減少，不僅可以降低費用，而且可減輕墻體重量，使重心下移，提高剪力墻的抗震性能。在框支結構設計當中中，短肢剪力墻的方案可運用到上部剪力墻結構體系中。一般不提倡通過增加下層剛度的做法來達到降低上下層剛度比的目的，而是采用短肢剪力墻結構設計，達到降低上部剪力墻的剛度，并且能很大程度上節約成本，提高效益。但在多樓層的建筑中，由于使用，會導致墻體塑性增加、底部剪力系數偏低、層間位移難以滿足標準要求，造成建筑的安全性難以保證，所以在此類的建筑中，并不提倡使用短肢剪力墻結構設計，行業內普遍的做法是采用全現澆剪力墻結構方案，可有效提高墻體的安全性。然而，即使采用全現澆剪力墻結構方案，墻體剛度值稍仍會偏大，此時可以通過布置窗洞或填補窗洞的方式來達到調整墻體剛度的目的。

3 高層剪力墻結構設計優化

3.1 轉換層的設計

建筑功能的多樣化使得建筑的上下結構以及使用功能也隨之而變化，所以在實現建筑結構變化中，要盡量注意建筑轉換層結構的設計，現在常用的轉換層有厚板轉換層、巨型梁轉換等。細細來說，其一，進行轉換層自身重量控制，采用梁系轉換的方式來進行厚板厚度控制和轉換層質量控制；其二，嚴格控制剛度進行高位轉換的同時，轉換層的剛度提升相對較快，所以要對轉換層上下部分的剛性比。進行相對調整，用空間分析的方法，空間承載力能得到相應的控制；其三，進行轉接控制。在轉換梁與中筒連接設計中，要把鋼筋混凝土柱連接在轉接范圍內的筒體處，加強連接以防止地震時脫節現象的發生。

3.2 剪力墻的抗震優化設計

相關機構對我國歷史上的地震記錄進行分析研究后表明，之所以高層剪力墻結構會在地震中出現嚴重的破壞，究其根本原因就在于高層剪力墻結構的底層剛度與上部剛度之間的差距往往太過于懸殊，一旦當地震作用集中在其底層時，就會導致底層出現極其突出而明顯的彈塑性集中變形。因此對于高層剪力墻結構而言，底層剛度與上部剛度之比必須要進行嚴格的控制，這是最為關鍵的一點。另外，由于不同地區的抗震設防烈度也不盡相同，因此在高層剪力墻結構設計中對于抗震方面也要有區別對待，以保證其經濟合理性。

3.3 連梁設計

在對連梁抗震性與非抗震性設計時，從高跨比上來分類主要有兩種，分別是高跨比大于2.5與小于2.5兩種，同時這也對受剪承載力與截面的配筋有著相應的規范要求。因此在對連梁設計時可以采用兩種方式，首先是在開始計算內力之前，要先拆減連梁本身的剛度。其次，是在計算內力之后，還需要在連梁的彎矩組合與剪力上乘以折減系數，在計算的時候還需要注意的是，無論采取哪種算法，在實際使用時都需要來確定相應的剪力和彎矩設計值，并且這個數值要比調整之后的數值要小。另外，在設計彎矩的時候，也要根據低于預防烈度一度地震組合值來獲得，這樣就可以保證在正常使用情況下，或者是出現小型地震時，可以有效的預防裂縫，最終保證高層建筑的結構安全。

3.4 剪力墻的配筋優化設計

合理的確定剪力墻結構底部加強區部位，剪力墻分為底部加強區范圍和非底部加強區范圍，底部加強區要求高、墻厚大。當剪力墻軸壓比大于一定數值厚，必須設置約束邊緣構件，而約束邊緣構件的配筋遠大于構造邊緣構件。因此在結構設計中嚴格區分抗震墻的底部加強部位和非加強部位，對鋼筋用量而言具有很大意義，隨意擴大抗震墻的底部加強區會增加鋼筋用量。

墻的水平分布筋是為橫向抗剪以防止墻體在斜裂縫出現后發生脆性剪切破壞，同時起到抵抗溫度應力防止混凝土出現裂縫，設計中當建筑物較高較長或框剪結構時配筋宜適當增加，特別在連梁部位或溫度、剛度變化等敏感部位宜適當增加。墻的豎向鋼筋主要起抗彎作用，目前在一些多層及高層剪力墻中電算結果多為構造配筋。抗震墻中的墻段豎向分布筋通常都不是由內力控制，其作用主要是固定水平分布筋，防止墻面出現水平收縮裂縫，故其間距通常取200mm ，最小直徑8mm ，僅需滿足最小配筋率，不必隨意提高其配筋量。

3.5 剪力墻的平面布置的優化

剪力墻布置的優劣直接關系到整個結構的經濟指標，在設計中做好剪力墻的布置，應采取下列措施：強周邊、弱中部；多均勻長墻、少短墻；多L形、T形、十字形墻肢、少復雜形狀；沿高度均勻變化，各墻肢軸壓比接近。剪力墻應雙向布置，形成空間結構，并宜使兩個方向的剛度接近。剪力墻平面上力求簡單、規則、對稱，否則建筑物的質心和剛度中心會有較大偏移，一旦受到水平荷載作用，剪力墻結構會繞著剛度中心發生扭轉。單片剪力墻的突出長度不能過長，過長的剪力墻容易受剪，抗震性脆弱，一般要求剪力墻的墻段長度不宜大于8m。

4 結束語

總而言之，高層建筑設計不僅要滿足結構安全、功能適用等要求，還應做到結構體系受力合理、材料用量盡可能少。高層建筑剪力墻結構應用量大，應進行反復的優化設計，在重視概念設計的前提下，認真調整各項技術參數，使結構達到相對較優的結果。只有這樣才能即保證建筑結構在平時和震時保證安全，保證使用上的舒適度，又能為社會節省大量的投資，這是我們每位結構設計工作者應盡的職責。

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