基于剪力墻結構的高層建筑結構設計分析

田　正

中國建筑東北設計研究院有限公司

基于剪力墻結構的高層建筑結構設計分析

田正

中國建筑東北設計研究院有限公司

土地作為不可再生資源可開發建設用地逐年減少，建筑建設開發規模不斷的擴大，高聳挺拔的高層建筑也鱗次櫛比的出現在城市中。剪力墻由于結構剛度大、整體性好、含鋼量少等特點，在廣泛應用于高層建筑當中。

高層建筑；結構布置；剪力墻；配筋計算

剪力墻結構是用鋼筋混凝土墻體代替框架結構中柱子承擔由各類荷載引起的內力的結構形式，墻體既能形成抵抗水平作用的結構構建，又能起到對空間分割作用，相對框架柱他們很薄，與劃分空間的分隔墻同厚，墻體水平方向抗側移能力強，所以這種結構形式在高層建筑內被大量應用。建筑物的荷載通過水平構件將水平剪力傳遞在結構墻上，這也是剪力墻名稱由來。在剪力墻設計中不但要求充分考慮建筑結構安全性，還需要對其施工成本進行控制。筆者根據幾年設計工程的積累，總結出一些經驗，在此進行簡單討論。

1　剪力墻體系特點

剪力墻合理設置間隔是3-5m。相對于框架結構，剪力墻體系跨度較小，建筑空間靈活性受到局限，無法適應大空間功能要求，更多的適用于酒店、公寓、住宅等建筑。該體系水平構件只有樓板，不需要框架梁，所以能比較好的節約層高。但抗側性、整體性和抗震性能良好的特點，讓剪力墻體系越來越多的用于高層建筑物營造。剪力墻體系，是一種剛性結構形式，本身具有較強抗剪能力，對抵抗水平側力有良好的性能。剪力墻結構體系在水平力作用下會發生彎曲型。

2　剪力墻設計需要重視的主要問題

剪力墻有上述諸多優點，但是自重很大，地震時吸收地震力較多的缺點也十分明顯。為了抵抗地震力，結構設計中將會加強基礎以及上部結構體系，會增加的工程建設成本；剪力墻體系，盲目增加鋼筋用量，會導致建筑墻肢結構自身的軸壓力較低，同時也會導致結構的開裂；剪力墻中配筋率比偏低，將直接導致結構體系延展性差，抗拉抗剪等力學性能減弱。因此，在高層建筑的結構設計中運用剪力墻結構，不僅要盲目考慮建筑工程施工成本，還要對剪力墻結構自身的抗側能力進行綜合考慮，權衡二者之間平衡點。

3　剪力墻結構設計要點分析

3.1剪力墻結構效能

剪力墻墻身與連梁是剪力墻系統的重要組成部分。剪力墻墻體中包括的有豎向鋼筋和水平鋼筋，具體用量確定，主要對正截面的抗彎承載力與斜截面的抗剪承載力進行計算。剪力墻中的鋼筋配置要求為：在一級、二級、三級的抗震設計中，豎向配筋率與水平配筋率不能低于0.25%；在四級、一級非抗震設計中，其配筋率不能低于0.2%。在四級、一級非抗震設計中，其配筋率不能低于0.2%。另外，剪力墻的豎向鋼筋與水平鋼筋之間的距離適宜在300mm左右，直徑不能低于8mm。當剪力墻受水平荷載，墻肢產生扭曲形變，連續梁此時對于墻肢的水平力約束將平衡水平恒載，在一定意義上能夠改善墻肢的受力狀態，對墻肢能起到約束的作用，在對高層建筑結構整體進行計算的過程中，需要對連梁剛度以及高度進行適當的折減，有效增加跨度以此降低結構的剛度，對抗震結構的設計進行完善，能有效緩解地震對剪力墻的影響。

3.2剪力墻平面布置

在剪力墻結構中，剪力墻負擔自重、水平地震作用力、豎向荷載力以及風荷載力。所以，布置豎向剪力墻構件時，首先要能滿足建筑物自身荷載，宜沿軸網對稱布置，但多數建筑因自身功能流線原因，無法做到對稱，則要求剪力墻均衡布置在建筑內部，防止剪力墻密度不均，出現扭轉效應。平面布置時應注意以下事項：a.慎用短肢剪力墻。短肢剪力墻營造的空間靈活，能夠適應多種建筑平面功能要求，并且能夠有效降低自重，但自身抗震性能不強，不利于提高建筑結構的安全性。b、剪力墻不宜過長。長度很大的剪力墻，剛度大、結構的周期過短，不利于抵抗地震力，而且剪力墻只有處于受彎狀態，才能有足夠的延性，所以高細形狀的剪力墻力學性能更優秀，如果剪力墻太長時，將形成低寬剪力墻，就會由受剪破壞，剪力墻呈脆性，不利于抗震。所以如果剪力墻過長，應用連量劃分成數段剪力墻段，且高寬比應不小于2；c.合理設計剪力墻結構整體剛度，因為剪力墻結構剛度大，地震力比較大，消耗施工材料多，不具有經濟性，盲目提高剪力墻強度將造成較大浪費。

3.3剪力墻豎向布置

豎向連續是剪力墻布置的原則之一，結構豎向構建不連續會造成剛度突變，受地震力容易被破壞。由于建筑平面功能限制會有剪力墻取消的情況，如果頂層局部剪力墻需要取消，則其余剪力墻應在構造上予以加強；而底層局部剪力墻取消時，應設置結構轉換層。此外剪力墻的厚度應隨高度增加設置階段變化，每次減小50-l00mm的厚度，保證建筑整體剛度變化均勻連續。普通剪力墻厚度變化時宜兩側同時內收。而外墻及電梯間墻可只單面內收。

3.4合理配置剪力墻中暗柱、端柱鋼筋

規范規定，對于一級、二級以及三級剪力墻結構設計，一定要設置暗柱與端柱。暗柱與端柱是“約束邊緣構件”和“構造邊緣構件”兩大類。暗柱的寬度等于墻的厚度。暗柱與端柱，能夠在一定程度上消耗大量地震波的能量，因為剪力墻的邊緣構件抗拉的能力很強，所以能夠有效的提高建筑的穩定性。

4　結語

目前，我國土地資源越發緊張，高層建筑逐漸增加將是建筑市場發展趨勢，順應當前社會經濟發展需求。在高層建筑中剪力墻結構技術將會得到越來越廣泛的運用。剪力墻既能滿足高層建筑的結構功能需要，也能滿足日益豐富的建筑空間變化需求。還能滿足工程經濟性需求和耐久性的要求。

因此，研究如何充分發揮剪力墻力學性能是研究如何高效的提高建筑物的抗震性能的關鍵。也是每個結構工程師必須面臨的課題。

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