簡析高層建筑的剪力墻結構設計

張晶瑾 魯立蘭

【摘要】隨著城市化建設進程的加快，促進了高層建筑的發展，使得高層建筑剪力墻結構設計作用更加突出。本文闡述了高層建筑剪力墻的布置設計原則，結合案例對高層建筑剪力墻結構設計進行分析，并提出了優化高層建筑剪力墻結構設計的措施。

【關鍵詞】高層建筑；剪力墻結構；設計

剪力墻剪力墻又稱為抗風墻和結構墻，是指主要承受風荷載或者是地震作用所產生的水平剪力的墻體。以下就高層建筑的剪力墻結構設計進行簡要分析。

一、高層建筑剪力墻的布置設計原則

剪力墻是建筑物的分隔墻和圍護墻，因此墻體的布置必須同時滿足建筑平面布置和結構布置的要求。

1、剪力墻在布置設計上不能太密集，要使整個結構具有合適的側向的剛度，如果側向剛度比較大的話，不僅會加大墻體本身的重量，還會使其在地震中所受的地震力變大，容易發生倒塌事件。

2、如果剪力墻的長度比較大的時候，可以通過開設洞口的方式來把墻分成幾個均勻的獨立的墻體，每一段墻體的長度不能大于8m。

3、在設計剪力墻的時候，最好沿主軸的方向多向或者雙向布置，在不同方向的剪力墻最好聯結在一起，要注意盡量避免對直或者拉通；在進行抗震設計的時候，要使兩個方向的側向剛度相接近，而剪力墻的墻肢的截面要規則并且簡單。剪力墻在分布上要均勻，數量要適當。

4、剪力墻在豎直方向要從下到上做連續的布置，避免發生剛度的突變情況。在高層建筑中，剪力墻的墻肢的截面要規則并且簡單，剪力墻在豎直方向的剛度要均勻，剪力墻的門窗或者洞口要形成明確的墻肢和連接梁。要避免墻肢出現剛度相差懸殊的洞孔設計，在進行抗震設計的時候，一級、二級和三級抗震等級的剪力墻都不能采用疊合的錯洞墻。

5、剪力墻的洞口或者門窗要上下對齊，不能錯位，成列布置。要避免使用疊合的錯洞墻或者錯洞墻，這樣都會影響剪力墻的承重能力，容易發生應力變形。

6、在剪力墻和平面以外的方向的梁體連結的地方，要加強剪力墻平面之外的抗彎的剛度以及承載力，可以采取在墻內設置一些暗柱、扶壁柱或者和梁相互連接的型鋼等措施，也可以用減小梁端的彎矩的措施來達到加強承載力和抗彎能力的目的。例如：可以設計成鉸接或者是半剛接的形式。

二、高層建筑剪力墻結構設計案例

某項目抗震設防烈度為8度，設計地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類。當地50年基本雪壓為0.9KN/m2，50年基本風壓為0.6KN/m2。

1、該項目的高層住宅建筑高度53米，地上18層。其設計難度在于應建筑采光和通風的要求在角部開設角窗，很大的影響了結構的扭轉剛度，特別是對于地震作用下的結構計算，很難滿足扭轉位移比和周期比。 （1）在建模時，考慮了兩種方法，一是直接在角部的兩道剪力墻上開洞，形成角窗。但由于PKPM在處理時總會在角部加入一個很小的墻肢進去，導致計算結果的不可靠性，所以未采用。第二種方法是把角部的兩道墻都去掉，建兩根挑梁，兩根挑梁在角部相交，形成受力構件。挑梁的寬度同墻厚，挑梁高度同窗間墻。這樣使得傳力明確，計算結果也偏為合理。（2）調整模型滿足抗震性能要求之后，在構造上也需要做加強措施。因為開設角窗會導致結構角部剛度減弱，抗扭剛度減小。其次角部的樓板由于沒有豎向支撐，緊靠水平相交的兩根挑梁作為支撐，也需要加強。另外挑梁由于互為支座，互相會對對方產生彎矩，并傳至挑梁根部的暗柱，且隨著結構的層數累積，在結構底部暗柱產生很大的彎矩。因此在設計時做以下加強措施：首先是樓板加厚為150mm，配筋雙層雙向，在樓板角部加斜暗梁；其次加強挑梁配筋，放大挑梁底筋，以防止挑梁內彎矩的調幅；另外挑梁端部暗柱長度至少要為600mm，以保證能夠承受挑梁傳來的彎矩，同時提高挑梁梁端剪力墻墻肢的抗震等級，以保證挑梁端部墻肢能夠承受更大地震力。

2、該項目的多層住宅抗震等級為2級，考慮當地保溫及防雪要求，先做一層水平屋面板，另設斜板做多坡屋面。（1）在建模時，第一種以坡屋面的平均高度作為層高建立一個標準層，梁板均按水平布置，此方法不能真實模擬結構形態，尤其忽略了斜板對結構剛度的貢獻以及限量對結構產生的水平推力，是結構偏柔。第二種通過PKPM中的“梁兩端標高”和“改上節點高”來布置斜梁，設虛梁短柱來傳遞荷載至下層柱頂。此方法能很好模擬斜梁對整體結構的影響，但容易造成有效質量系數小于90%及位移比大于1.5的情況。故設計時以第一種模型考慮抗震指標，第二種模型來考慮斜梁及柱的實際配筋，可以得到偏為保守的設計結果。（2）設計時，對于傾斜的屋面板采用雙層雙向配筋，并且按《坡屋面梁施工圖“平面整體表示方法”制圖規則和構造詳圖（03G101-補充）》的構造要求設計節點構造。

3、該項目多層及高層均有局部負二層地下室聯通地下車庫，多層采用強夯法處理天然地基承載力至200KPa，高層選取旋挖成孔后注漿灌注樁基礎形式。在地下室基礎底標高有高差的情況下做如下處理：（1）高的地下室基底壓力，作為地面活載一樣對低的地下室外墻產生側壓力，聯通土壓、水壓及人防等效靜載計算低的地下室外墻內力。（2）施工時一般低的地下室先挖土，靠高的地下室一側放坡，待低的地下室結構施工到與高的部分基底標高時，采用低強度混凝土、灰土或砂石回填肥槽，此時回填材料應有足夠的密實性，其承載力不能低于高的地下室基底土的承載力。（3）高、低兩部分地下室，相互間基礎的差異沉降應滿足規范的允許值。

三、優化高層建筑剪力墻結構設計的措施

1、盡量做到不出現獨立的小墻肢且剪力墻剛度應適度：剪力墻結構本身就承載著較大的負荷，且延性不足，這種情況下，只有盡力做到將壓力平均分配到每個墻肢上才能有效的提高結構的性能。因此，如果出現了獨立的小墻肢，那么正如同木桶出現了短板，整個結構的負載能力就會大打折扣。并且，正如俗話所說：“剛則以摧”，所以如果剪力墻的剛度過大的話，其延性不足的特點就會突出的暴露出來。

2、要根據具體情況，對剪力墻的連梁進行有效的調整，只有這樣，才能保證剪力墻結構的穩定性，從而提高整個建筑的相關性能。出于對其進行規范的目的，國家出臺了相關的法律規定，如《高規》中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。

3、根據具體情況控制剪力墻的厚度：剪力墻的墻體如果太薄，那么其抗震能力以及負載能力一定會大打折扣，從而使整座建筑的相關參數不合格，工程質量受到極大影響，甚至可能會造成安全隱患，給人民帶來生命和財產損失。剪力墻的墻體如果太厚，不僅縮小了住戶可利用的空間，而且會造成浪費，給建筑商帶來不小的損失。因此，在建設過程中，施工單位萬萬不能急于施工，而應根據具體情況，進行精確計算。

結束語

綜上所述，當前高層建筑數量的日趨增多，高層建筑剪力墻結構設計的過程中，一定要明確設計的要點，采取有效的設計方法來提高設計的水平和質量，進而為高層建筑剪力墻施工奠定基礎。

【參考文獻】

[1]王鳳琳.高層建筑剪力墻結構的設計[J].山西建筑，2009，35，（10）.

[2]陳崇岡.高層建筑剪力墻結構的設計要點[J].中國高新技術企業，2010，（10）.

[3]徐培福.復雜高層建筑結構設計[M].中國建筑工業出版社.2005.