淺析高層建筑剪力墻結構優(yōu)化設計

王健

前言

剪力墻結構對于高層建筑性能提升有著很大的促進作用，但在剪力墻的應用中還存在很多不足，所以需要將結構優(yōu)化設計做好。

1 關于高層剪力墻的概念概述

剪力墻結構廣泛應用于我國高層建筑墻體結構中，它主要是通過混凝土和鋼筋對建筑設計。剪力墻結構作為整體建筑的構件，要契合建筑的整體布局，滿足建筑的平面結構，還具有抗震、抗風、承重的能力。高層建筑的剪力墻中有許多的承重柱，讓建筑物內部簡潔美觀，這樣使得內部的活動空間變得更大，房屋使用者可以最大限度地根據自己的要求對內部空間進行設計，滿足自身需求。

2 高層建筑中剪力墻的應用評價

在高層建筑中，抗震性能是決定建筑質量的重要因素，因此，需要有效控制建筑物在地震水平荷載作用下產生的橫向位移量，該情況下，剪力墻結構得到了廣泛應用，如何進行剪力墻受力分析和結構計算，成為建筑設計行業(yè)的熱議課題。剪力墻結構具有整體性良好、側向剛度大，同時在水平力作用下位移量小的優(yōu)點，由于沒有梁、柱等結構構件，有利于建筑物內部空間的布局設計。隨著建筑物高度不斷升高，在地震等外力作用下，建筑物產生的橫向位移量會越來越大，剪力墻結構也會發(fā)生扭曲形變，在以往的結構設計中，大都將剪力墻簡化成具有等效剛度的桿件，然后在此基礎上進行內力分析和結構設計，尤其需要注意剪力墻在和樓面連接處的結構設計，應該采取有效地控制措施，提升整體穩(wěn)定性。

3 高層建筑中剪力墻的優(yōu)化設計

3.1 優(yōu)化剪力墻布局設計

高層建筑中剪力墻的布局，宜按照“均勻、對稱、分散、周邊”的原則進行設計，剪力墻宜均勻對稱地布置在建筑物的周邊附近、樓電梯間、平面形狀變化及恒載較大的部位。剪力墻結構具有很好的承載能力，在高層建筑中，通常可以結合建筑自身的需求，采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆板，不設梁，在地震等作用力下承擔一部分水平荷載。在建筑設計中，需要考慮豎向承載力的分布，充分考慮高層建筑結構的對稱性。在進行高層建筑抗震設計時，短肢墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩不大于結構總底部地震傾覆力矩的50%。此外，高層建筑剪力墻的設計過程中，還需要重點考慮在伸縮縫、沉降縫、防震縫兩側不宜同時設置剪力墻。要做好防水處理，可在外部涂抹水泥基滲透結晶型防水涂料，并高出滲水處50cm，使用滲透結晶型堵漏材料和10%滲透結晶型基層處理劑混合水泥砂漿，用鋼絲網進行防護。

3.2 優(yōu)化框架剪力墻設計

框架剪力墻結構主要就是由梁柱構成的框架和部分剪力墻組成。框剪結構的剪力墻常為填充墻體，主要承受水平荷載和堅向荷載，適用于平面或豎向布置復雜、水平荷載大的高層建筑。框架剪力墻結構中的剪力墻，應該設計成周邊有梁柱或者暗梁柱的帶邊框剪力墻。縱橫向相鄰剪力墻宜連接在一起形成L形、T形及矩形等，以增大剪力墻的剛度以及抗扭能力。此外，高層建筑剪力墻結構設計中，墻體在堅向布置時，需要注意剪力墻要貫通整個建筑的全高，保持建筑物上下剛度均勻連接。當高層建筑剪力墻堅向特性發(fā)生某種變化時，墻體自身的厚度和混凝土等級需要隨之改變，當高度增加時，可以適當減少墻肢數量，降低建筑物的整體剛度。對于高層建筑中門窗等洞口布置時，需要注意避免在剪力墻端部設計，在剪力墻方向開設門窗時，應該進行堅向對齊布置，整個高層建筑的門窗長度寬度相同，確保建筑物墻體和連梁得到合理的分布。

3.3 優(yōu)化剪力墻結構計算

剪力墻結構的剛度不要過大，在滿足樓層層間位移與層高之比的基礎上，以最小剪力系數為目標。剪力墻連梁是否超限、底部的軸壓比是否符合規(guī)范要求都是要考慮的。計算參數的選取是很重要的：①周期折減系數：填充墻較多時的剪力墻結構，取0.9～1.0；填充墻較少時的剪力墻結構，取1.0。填充墻對主體結構周期的折減，是指填充墻的剛度影響高層建筑主體結構剛度的程度，主體結構的剛度大則填充墻對主體結構的影響小，剛度小則影響大；填充墻的剛度大對主體結構的影響也大，剛度小影響就小。②振型個數：以保證振型參與質量大于或等于總質量的90%為前提。高層建筑地震作用振型數非耦聯(lián)時n≥9個，耦聯(lián)時n≥15個；對多塔結構振型數n≥塔樓數量X9。③連梁剛度折減系數：在內力和位移的計算中，連梁剛度折減系數可取0.5；當結構位移由風荷載控制時，連梁剛度折減系數最好不小于0.8。

3.4 優(yōu)化剪力墻結構連梁設計

在高層剪力墻結構中，連梁是一項關鍵的耗能構件，連梁常被稱為結構抗震設計中的“保險絲”，它可以起到耗散地震能量的作用。所以一定要優(yōu)化剪力墻結構連梁的設計，連梁的強剪弱彎應該反復多次驗算，確保高層建筑在修建完畢后連梁的彎曲破壞比剪切破壞晚。除此之外，在實際施工過程中也不能隨意加大連梁縱筋和箍筋，前者會導致無法滿足“強剪弱彎”的要求，后者會導致剪切破壞提前發(fā)生。例如：當連梁的跨高比大于5時，剛度不能減少，需要按照框架梁的要求設計施工，此時可將跨高比為增加至6，解決剛度不減少導致剪力過大的情形，還可以減少鋼筋混凝土的使用量，從而減少投資成本。

3.5 優(yōu)化剪力墻結構配筋

剪力墻配筋控制對建筑物主體造價起著關鍵性的作用。通過以往高層建筑物的結構設計對比，一般的剪力墻配筋幾乎都是按規(guī)范規(guī)定的最小配筋率構造配筋，所以控制剪力墻厚度，可以有效地控制剪力墻墻身鋼筋用量。選擇優(yōu)質的材料是進場前第一步要做好的工作，鋼筋材料的選擇是至關重要的，各種合格證明一定要檢查清楚。合格的鋼筋才能進入施工場地。剪力墻結構的配筋選擇要滿足工程測算和建議標準的材料，將水平鋼筋安置在外側，垂直鋼筋安置在內側，根據現(xiàn)實情況優(yōu)化設計，減少建筑成本。

4 結語

總而言之，剪力墻結構憑借良好的可操作性在高層建筑中得到廣泛應用，為更好發(fā)揮剪力墻結構的作用，還需要做好結構優(yōu)化設計。