高層建筑框架剪力墻結構設計優化措施研究

李凱

【摘要】建筑設計師經常使用框架剪力墻結構，這種結構能夠減少建筑物發生側移的現象，大大增強建筑結構的整體質量。建筑的框架剪力墻結構設計成了影響建筑的一個重要的因素，它的好壞將會直接影響建筑的抗震性及承載力。本文將會著重對建筑結構設計中剪力墻結構設計優化措施進行分析。

【關鍵詞】剪力墻結構;建筑結構;設計

引言

隨著經濟建設的快速發展，城市人口不斷增加，建筑用地資源非常緊張，在這種情況下，高層建筑以其大容積率得以在城市中快速發展起來。高層建筑垂直高度較大，而且結構較為復雜，這就需要選擇適宜的結構形式，來確保高層建筑的穩定性。目前框剪結構不僅能夠有效的確保使用空間的最大化，而且抗側力剛度也較好，所以在當前高層建筑結構設計中得以廣泛的應用。在進行框剪結構設計過程中，需要對其設計進一步優化，確保建筑結構能夠更好的滿足建設可靠性的要求。

1高層建筑框架剪力墻結構布置設計

在高層住宅的框架-剪力墻結構中，剪力墻與普通剪力墻結構相比存在一定的差異。下部樓層中，剪力墻的位移較小，因此，可以拉著框架按照彎曲型曲線變形，由剪力墻承受大部分水平力;而在上部樓層，剪力墻的位移會越來越大，并且呈現出外側的趨勢，因此，框架趨于內收，拉著剪力墻按照剪切型曲線變形。框架除了負擔外負荷產生的水平力，還需要負擔拉動剪力墻的附加水平力，而剪力墻不會承受任何的荷載水平力，還因為給框架一個附加水平力，而承受負剪力。因此，在上部樓層，即使外荷載產生的樓層剪力很小，框架中也會出現相當大的剪力。作為主要的抗側力構件，剪力墻在結構中的作用是非常巨大的，如果在設計時，僅僅在一個主軸方向布設剪力墻，很可能造成兩個主軸方向抗側剛度的巨大的差異，在沒有設置剪力墻的主軸方向，會因為剛度不足，無法與另一個主軸方向相互協調，在振動作用下容易導致結構的扭轉破壞。因此，該工程設計中，在兩個主軸方向都布置了剪力墻，形成了雙向抗側力體系，可以有效減少層間側移。

2高層建筑框架剪力墻結構優化設計

（1）剪力墻抗震優化設計。在對高層住宅進行結構設計時，一定要考慮建筑的抗震指數。對于高層住宅剪力墻結構，可能由于本身剛度比較差，所以在發生地震時變形就會非常嚴重，對于地震的防御力就很低。因此，對于高層住宅剪力墻的剛度問題要進行優化設計，符合抗震的要求，保證結構合理和經濟性。具體來說，在剪力墻結構設計過程中，應當注重抗震的作用，盡量避免單向布置，按照雙向布置的原則，使受力方向的抗側剛度逐漸接近，形成一個良好的空間結構。利用空間的充足性，減輕結構的重量。站在多種角度，從多方面出發，進行結構分析，注重和考慮抗震等級平均軸壓比帶來的影響及其穩定性的相關要求。

（2）剪力墻結構設計優化。高層住宅建筑的設計不僅僅要求是能夠達到最基本的建筑使用標準，更要注意的注重結構合理性問題。高層建筑的設計過程中需要考慮建筑層數比較多，并且在施工時要保證地基足夠堅固，支撐之后將要建造的上面的樓層的重量。在設計時，既要保證剪力墻能夠保證較好的抗震性，又要保證足夠的剛度。對于現有的剪力墻結構中的一些缺點，比如建筑成本比較高，而且在施工時難度比較大，對于鋼材的使用量也非常大，也需要被考慮在優化設計中。可能這些缺點就是因現有剪力墻的結構不合理性造成，所以在進行優化設計的過程中就要考慮到這些問題。優化設計者要充分考慮到各方面可能影響到剪力墻結構的因素，在優化設計時能夠改進這些問題，爭取使得優化后的剪力墻在使用過程中盡量避免出現原有的不足。優化過后的剪力墻結構需要表現出抗震性好、建造成本低、施工時比較簡單、對鋼材的使用量降低等優點，因此對高層住宅的剪力墻優化設計的探索具有重要意義。

3高層建筑框架剪力墻結構計算優化

在剪力墻結構計算方面進行優化時，應當遵循樓層最小剪力系數的調整原則、連梁超出限值的調整原則、樓層最大位移和層高之比的調整原則、結構扭轉為主的第一自振周期和以平動為主的第一自振周期之間的比例調整原則，使計算結果無限地接近規范值。

（1）調整樓層高度和層間比例。在我們進行優化剪力墻結構計算的時候首先要關注樓層的高度和層間的比例，需要計算在地震對建筑物樓層影響的位移的時候對于樓層的彎曲變形和扭曲變形，還要該考慮整棟建筑物的扭曲變形，在高層建筑物進行計算的時候，要盡可能的降低扭轉變形量，但是不能盲目添加縱向構件的抗側剛度。

（2）調整樓層最小剪力系數。如果說斷肢剪力墻承載底部地震的傾覆力小于總體的?40%，那么就必須減少剪力墻的數量，并且設計的時候是設計大開間剪力墻，這樣可以有效控制樓層最小剪力墻系數在一定的范圍內，能夠降低地震對建筑物的影響，節約建筑成本。

（3）層間位移和樓層高度的比例設計。在我們進行剪力墻機構設計的時候要考慮受地震影響較重的時候，剪力墻彈性位移的數值范圍和整體結構扭轉的變形量，一般我們在計算剪力墻的結構設計時候關鍵自身與剪切變形量和整體結構扭轉。改變縱向構件的數目是控制剪切變形的一個重要的手段，然而如果縱向構架過多也會造成墻面結構的扭轉變形。因此在設計的時候也要控制縱向構件的數目。

（4）結構扭轉自振周期與平動自振周期T1之比的調整原則。通過對震害的研究可以發現，如果剪力墻結構在設計以及施工中存在質量偏心、剛度較差、平面存在凹凸不平等問題，將會受到地震的較為嚴重的影響。所以，在進行剪力墻的設計中，應該充分的考慮剪力墻結構抗扭曲剛度的承受能力，在設計中應該對剪力墻結構平面的標準進行控制，防止出現大規模的扭曲變形，在進行扭轉效應計算的時候應該講偏心影響納入其中;其次，在進行限制結構的設計中，要保證抗扭曲程度達到施工要求。實際的施工設計，需要有效的將結構周圍的環境進行良好的控制，從而有效的強化并提高剪力墻結構的側向抗扭曲程度。如果在設計的時候，僅僅通過在部分位置加裝構件進行支撐，那么對整體的側向剛度能力的提升范疇微乎其微。

（5）連梁超限的調整原則。《高規》規定剪力墻長度不宜大于8m，當大于8m時，宜采用弱連梁將其分開。同時還規定跨高比不小于5的連梁宜按框架梁進行設計;有地震作用組合時，對于高跨比大于2.5及小于2.5兩種情況，在截面受剪承載力及配筋方面有不同規定。為此應將連梁進行塑性調幅，以降低剪力設計值。塑性調幅可采用的方法：在內力計算之后，將連梁彎矩和剪力組合值乘以折減系數。連梁調整后的彎矩、剪力設計值不應低于使用狀況的值，以避免在正常使用條件下或較小的地震作用下連梁出現裂縫。

4結語

在我國的高層建筑住宅中，剪力墻結構已被廣泛應用，其數量會根據不同的高層住宅而有所不同，所以對于高層住宅剪力墻結構優化勢在必行。而在對剪力墻的優化設計中要注意，優化的目的不僅僅是為了能夠降低工程造價，更要在保證安全的前提下，做到建筑的合理性，要更好的保證建筑的使用功能。因此，對于高層住宅剪力墻結構的優化要妥善考慮到建筑各方面的特點，兼顧合理性，才能發揮出結構優化的意義。

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