芻議高層建筑剪力墻結構設計相關要點

曹晨亮

【摘要】隨著建筑不斷的復雜化以及建筑高度的不斷提升，剪力墻結構成為了現代建筑結構設計中較為常用的結構類型之一，其被廣泛應用在住宅和旅館建筑結構中。，本文根據筆者多年的高層建筑設計經驗，對高層建筑剪力墻體系結構設計進行了探討。

【關鍵詞】高層建筑；結構設計；剪力墻結構；構造設計

1、剪力墻的特點及分類

剪力墻能較好的抵抗水平荷載。《建筑抗震設計規范》將其稱為抗震墻。剪力墻能有效抵抗水平荷載，具有以下主要特點：

（1）抗側剛度大，側移小；（2）室內墻面平整；（3）結構自重大，吸收地震能量大；（4）施工較麻煩，造價較高。剪力墻根據是否開洞和開洞大小，可以分為如下四類：

①實體墻：不開洞或開洞面積不大于15%的墻。受力特點：如一個整體的懸臂墻。在整個高度上，彎矩圖既不突變，也無反彎點，變形以彎曲型為主。

②整體小開口剪力墻：開洞面積大于15%但仍較小的墻。受力特點：彎矩圖在連梁處突變，在整個墻胺高度上沒有或僅僅在個別樓層才發生反彎點。

③）雙肢或多肢剪力墻：開洞比較大或洞口成列布置的墻。受力特點與整體小開口墻相似。

④壁式框架：洞口尺寸大，連梁線剛度與墻肢線剛度相近的墻。受力特點：彎矩圖在樓層處發生突變，而且在大多數樓層中都出現反彎點。

2、高層建筑剪力墻結構設計相關要點

2.1剪力墻結構布置技巧

對于一般剪力墻布置來說，其應當主要沿主軸方向布置，而針對巨型、L形、T形等建筑平面，則可采用沿兩個軸線方向布置。在布置剪力墻時，應盡量避免出現只有單向有墻的情況，同時對內外剪力墻采取拉通對直設置。另外還應當滿足結構質量中心與剛度中心的重合，避免結構出現過大的扭轉。這就要合理充分掌握剪力墻布置間距來體現。剪力墻布置間距適中將有助于發揮剪力墻抗側力構件作用，而且還可以合理地增大結構的利用空間。對于剪力墻布置間距過少，則會導致結構的側向剛度過大，造成結構的不經濟性。再次，對于剪力墻上難以避免的洞口，鑒于洞口大小、位置以及數量對高層建筑剪力墻的受力影響很大，因此對于剪力墻上的門窗洞口布置應當上下對齊，明確墻肢和連梁的位置，且剛度相差不大，應避免三個以上的洞口集中于同一個十字交叉墻附近。另外，由于剪力墻中的連梁剛度較弱，不宜將樓面主梁支承載在連梁上。

2.2剪力墻中大墻肢處理

剪力墻的結構必須具備延展性，對于呈細高狀的剪力墻（高寬比大于2）很容易被設計成彎曲破壞的延性剪力墻，這樣一來可以避免受到脆性的剪切破壞。在墻長度較長的情況下，為滿足每墻段的高寬比均大于2，可以通過開洞的方式分割長墻為小而均勻的獨立墻段。除此以外，在墻段長度較小時其受彎產生的裂縫寬度較小，可以充分發揮墻體配筋的支撐作用。而對于剪力墻結構中，存在較少的長度大于8m的大墻肢，在理論計算中樓層的剪力大部分由這些大墻肢來承受。在發生地震特別是超烈度等強烈震動時，最容易受到破壞的便是這些大墻肢。小墻肢因沒有足夠的配筋，使整個墻面結構會受到全面破壞。為避免這種不利現象的發生，對于超過8m的墻肢長度，可以采取以下兩種處理方法：①開施工洞：開施工洞即在施工時墻內留洞，完工時砌填填充墻，把長墻肢分成短墻肢。②開計算洞：是指在進行結構計算時設有洞，施工時仍為混凝土墻。但通過這樣的計算方式，可以加強其它小墻肢的配筋能力。這種方式主要適用于地下室外墻等不易實施開洞的剪力墻。

2.3有效的優化連梁設計

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。

2.4配筋設計

墻體的配筋率，目前規定在一、二、三級抗震等級的剪力墻中，豎向和水平分布筋的最小配筋率均不應小于0.25%；部分框支剪力墻底部加強部位的配筋率不應小于0.3%；這配筋率比其在80年代前的配筋率：0.07—0.1%要大多了，和國外的配筋率0.1—0.25%的高者基本接軌，這在高層或者較長的剪力墻結構中應該是合理的，但對于低矮、短小的剪力墻值得探討。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，同時起抵抗溫度應力防止砼出現裂縫，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。但對于矮、短的房屋，其水平筋的配筋率是否適當減小值得探討。墻的豎向鋼筋主要起抗彎作用，目前在一些多層剪力墻中計算結果多為構造配筋；但配筋時所取的配筋率有人往往扣除了約束邊緣構件或構造邊緣構件中的鋼筋，筆者認為豎向最小配筋率，應該包括邊緣構件中的鋼筋，墻肢的豎向配筋原則也應該盡量將鋼筋布置在墻端部邊緣區并保證鋼筋間距不大于300mm，也應該注意防止豎筋過多使墻的抗彎強度大于抗剪強度，對抗震不利。

2.5注重轉換層結構設計

高層建筑功能和形式日益多樣化，當多功能綜合大樓要求一棟建筑物的上部、中部和下部使用功能不同時，結構布置也要相應改變，要設置轉換構件銜接上下結構，傳遞內力。設置轉換構件的樓層稱為轉換層。因此，對于高位轉換的底部大空間剪力墻結構這樣的復雜結構應當慎重設計，由于高位轉換時剛度和質量較大的轉換層升高。調整轉換層本身及其上下的剛度比使之接近是必要的，轉換層本身的剛度和質量不宜大。最終可通過水平力作用下精確的空間分析檢查轉換層附近的層間位移角是否基本均勻，宜盡量選用剛度和重量較小的轉換層結構形式，計算時應多取參與組合的振型數。

2.6優化設計上下部的結構

（1）減少結構上部的剛度，具體來說就是在實際設計時，在上部結構中盡量的少設置剪力墻結構。而在上部結構符合相應的壓軸比后，要盡量的縮短墻肢。

（2）加大結構下部的剛度。在高層建筑滿足相應的功能需求后，就可以在較大的空間層之中來設置一定的落地剪力墻結構，但是要均勻的布置，避免集中布置。其次，針對轉換層的上下部剛度也要合理的選擇。剪力墻轉換的剛度如果過大，在實際中就會增加對地震的反映能力以及要提高豎向的剛度要求，但是這樣就會增加材料用量，在經濟上是不合理的。剪力墻的轉換層剛度如果過小，在實際中也很容易出現沉降現象，這樣就會在水平結構和上部結構中出現明顯的次應力現象，增加配筋的使用量。其中一個最突出的表現就是正交主次轉換梁與次梁之間的轉換，而此時，就需要來合理的選擇截面的尺寸，還要考慮剛度是否達到了相應的設計要求。

3、結語

在高層建筑不斷發展的需求下，如何在設計的基礎上滿足高層建筑的樣式創新、功能需求以及結構安全性，追求新的結構形式和更加合理的模型將是未來的目標和方向。因此我們在實際的設計過程中應注重結構設計的每個細節，從而使高層建筑更具合理性和安全性。

參考文獻：

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