論高層建筑框支剪力墻結構的優化設計

黃文康

摘要：建筑工程結構要想達到整個社會的發展需求，就必須優化框支剪力墻結構的設計，既要保證剪力墻結構的牢固度與穩定性，又要提升其抗震性能。本文重點分析了高層建筑框支剪力墻結構設計的原則，以及建筑框支剪力墻結構的優化設計方法。

關鍵詞：高層建筑;框支剪力墻結構;結構優化設計;原則;方法

0前言

建筑工程結構設計關系到整個建筑工程的安全，只有做好各個環節的優化設計與合理布局，才能真正地提高建筑框支剪力墻的質量，才能從整體上維護高層建筑的安全與質量。

1工程概況

擬建場地位于江門市恩平市米倉三路8號，于米倉三路與工業一路交匯處以西，場地呈L字型走向：東側為已建成小區;南側為空地;西側為民居和籃球場;北側為民居和空地。擬建物為住宅小區（繁星小鎮二期項目），項目地上17層，建筑高度51.80米。本項目的自然條件和設計參數如下：基本風壓：W0=0.60KN/m2;地面粗糙度類別：B類;抗震設防烈度：6度;設計基本地震加速度值：0.05g;設計地震分組：第一組;建筑場地類別：Ⅱ類。結構類型為部分框支剪力墻結構，抗震等級為四級。

2高層建筑框支剪力墻結構設計的原則

2.1空間性原則

框支剪力墻現實設置中，必須額外關注建筑的結構空間特點，而且要保證雙向剪力墻剛度的均衡，以此來提高剪力墻結構質量，發揮其優勢使用功能。

2.2全面性原則

必須積極地控制剪力墻結構平面以外發生的彎矩問題，有效地避免剪力墻結構的彎矩風險，也要把樓面梁設計為一字型剪力墻，積極地規范剪力墻墻肢和樓面梁體二者的連接程序，控制其中任何的結構失誤現象。

2.3整體性原則

剪力墻結構設計過程中必須本著整體性原則，設計墻肢中間的連系梁過程中必須保證其整體性，而且要優選輕質、便捷的材料填充于砌筑的墻體中間，以此來維護剪力墻結構的完整性、完備性。

2.4謹慎性原則

剪力墻構造內必須做好門窗洞的設置，保證門窗洞的上方、下方保持對齊，從而更加清晰、明確地識別連梁與墻肢，建筑設計人員也要達到一定的職業素養，本著高度謹慎、精細化的原則，建筑結構設計如期完工后，必須深入、細致地檢查設計方案，要及時地識別其中的問題和不足，從而更好地健全建筑結構設計，從而控制工程的建設成本，確保工程建設經濟效益。

3結構的設計與布局

由于高層建筑主體結構的平面分布不均勻，規則性較差，結構設計過程中一般可以設置縫隙來把建筑物來分成兩大結構主體，這兩大結構主體的結構布設方式大致相同，層數也相似。因此，應圍繞右部上方結構加以設計。

然而，一些結構由于其結構形狀不規則，必須采取優化與改進對策，轉換層結構本身則作為豎直方向不規則的“豎向抗側力構件不連續”的方式，也就是設置了轉換層高層建筑構造，需采用兩項不規則模式。要想控制超限、超載問題，則要利用科學的措施和方法來控制不規則問題，其中要嚴控建筑平面凸凹不平、形狀不規則、樓板局部結構斷開等問題，當出現這些問題時，則要從設計環節入手，可以將抗震縫、樓板構造等配設于建筑結構的合適位置，當轉換層所處位置偏高時，例如：處于三層甚至更高的部位時，則要確保轉換層上樓、下樓等的剛度符合規定的標準，而且也必須切實調節好其上部結構、下部結構等的部位，確保他們達到特定的剛度比。轉換層處的上結構、下結構的等效剛度比值越小，意味著上下結構部位的相關參數越加明顯，例如：位移角、內力突變等。因此，現實設計中要保證此數值為1，來達到相關的現實使用需求。

4高層建筑框支剪力墻結構設計計算要點

高層建筑框支剪力墻結構設計計算必須結合工程項目的特點、類型等針對性計算，對于此工程項目來說，計算參數則要參照下面的標準：

4.1正確選擇計算參數

根據建筑的類別，此建筑工程為丙類，其場地類型則屬于二類，抗震設防烈度為VI度，設計基本的地震加速度：0.05g，場地特征周期：Tg=0.35s，基本風壓為：0.60kN/m2。

4.2結構主控參數

結合此工程實況，其結構形式內自振周期的計算數據都在一個科學范疇，而且在X，Y兩個方向的自振周期沒有明顯的差別，而且轉換層方面，其上結構、下結構的等效側剛度和轉換層臨近剛度的比值也符合對應的技術規范，轉換層上結構、下結構的等效側剛度參數沒有太大的差異，這就使得其能高效地緩解結構部件內應力、變形的突變，從而意味著結構平面和豎向結構形態都符合現實的標準和要求，能達到一定的抗震性能，此外，即便受到地震、風力的干擾，對應的位移、轉角等也較小，從而確保其符合技術規范等級。

框支剪力墻構造要站在結構、布局以及設計等方面，此結構為三維受力結構系統，對應的豎向剛度參數浮動則較大，對應的受力也相對復雜，眾多的環節都相對薄弱，可以參考技術規范來對應選擇達到現實需求的三維分析系統，從而優化其整體性能，框支的剖析也要積極地運用有限元軟件來加以分析，其中要清晰地指出應力分布特點，并對應核查框支梁、柱、周圍墻體構造的配筋度，確保他們都符合現實的利用需求。有限元分析要鎖定一個特定范圍：底層框架、框支層與若干墻體結構。

4.3明確抗震等級

建筑結構方面，轉換層之下則為框架剪力墻構造，相反，上方則為剪力墻構造，現實的框架剪力墻結構設計中，必須明確抗震等級，必須根據結構體系來分析、研究各個構造的構件特點、型號，并且要結合高層建筑設計的規范、規定與要求，來科學定位轉換層的部位，做好框支柱，要重點強化剪力墻的根部，使其牢固，確保剪力墻結構的橫豎兩大方向的抗剪力得以延伸，同時，也要憑借運用此方式，來對應提升墻體結構、抗溫應力，只有這樣才能最大程度地抑制混凝土裂縫。其中需要重點關注的是：在設計剪力墻時，應合理地增設水平筋，尤其是特殊部位，例如：溫度頻繁變動、剛度變化明顯等部位，以此來確保結構安全與整個建筑工程的結構牢固與穩定。

4.4結構平面的布局

高層建筑框架剪力墻的結構設計中，實際的結構體系相對復雜，而且很多結構都不太規則，個別建筑的結構設計也未能規則對稱，因此，建筑結構平面局部設計方面，必須反復加以驗算，在此基礎上來設置剪力墻。同時，現實的布局與設計操作中，不僅要設計核心筒，也要科學地布設剪力墻，同時，必須切實地參照設計規范來把剪力墻設置于四周部位，這一過程中要確保其均勻性、勻稱性，而且也要確保結構豎向構件水平位移、層間位移之比在1.4以下，以此來提升抗扭性能。

4.5優化連梁設計

現實的操作中，必須對連梁進行優化設計，具體包括非抗震設計、抗震設計，具體應根據高跨比數值來決定截面受剪承載力、配筋等，塑性調幅過程中，應參考下面的方法來加以設計：

第一，連梁剛度的設計。需要牢固把握好內力計算的初始階段，做好對應的折減計算。

第二，計算連梁彎矩、剪力組合值內力，對這些關鍵數據、數值計算以后，再將這些數據和折減系數做乘積。

現實的設計中無論選擇哪一設計方法，都必須集中分析連梁的彎矩、剪力設計值等，這些數值都要超過使用時期的現實值，而且也要將地震力的破壞作用納入考慮范圍，同時，也必須對連梁鉸接部位加以處理。

4.6底部加強部位的合理設計

剪力墻設計中，需要根據剪力墻的類型來給出科學的設計，如果是普通類型的剪力墻，底部加強部位的取值范圍十分關鍵，應達到轉換層上方兩層，同時，要在房屋高度的十分之一以下，應高出兩層高度值;如果是底部附帶轉換層的建筑工程項目，剪力墻底部加強部位的高度則應按照兩層高度以上，墻體墻肢整體高度的十分之一，雙方之間的一個最大值來做出合理選擇。需要關注的是：底部加強設計中，必須重點照顧到建筑物結構的整體抗震能力，也要深入分析建筑結構的承載能力。

4.7框支梁的設計

轉換梁支托的頂部結構通常結構不規則，來自于上方結構的豎向、橫向荷載都使得轉換梁截面上的正應力、剪應力等較大，要想提升轉換梁、支托上方結構的牢固度，就要確保轉換梁構造達到理想的抗剪力、抗彎承載力、剛度延性等。轉換梁截面通常可以由轉換梁支托的上部結構按照簡支狀態來算得所傳輸的豎向荷載帶來的剪力，可以控制設計剪壓比在0.07-0.1范圍內，以此來科學地控制轉換梁截面，從而達到理想的剛度、強度與延展性要求。

4.8轉換層樓板的設計

對于高層建筑框支剪力墻結構來說，轉換層屬于明顯的轉折分區，而且上下樓層的結構內力也各自有分布，下樓層內，剪力結構受力一般施加于落地剪力墻，從而使得轉換層樓板位置荷載的不均勻分配。所以，應根據剪力墻等效剛度比來科學分配剪力，從而預防設計誤差。

5抗震設計的優化

參照相關的技術規程與相關規范，框支剪力墻結構的相關規定，此建筑物結構部分，其底部加強部位的剪力墻抗震等級等達到三級，框支框架部分達到二級，由于此項目轉換層在三層，框支框架抗震等級則需要提高到一級水平。對此，建筑結構設計中必須確保轉換層上端結構的剪力墻剛度性能都達到規定標準，而且也要適度地控制剪力墻自身重量，確保轉換層上方構造性能合格，下方剛度性能等達到使用的需求，以此來切實提升剪力墻結構的延展性，具體則要從以下幾大關鍵點做起：

（1）控制結構自重。優選質地較輕的隔墻材料，從而控制剪力墻結構的數量、尺寸與厚度，保證上方剛度處于合理范圍。

（2）優化提升框支梁結構抗扭強度，適度地擴大轉換層和相鄰樓板的尺寸、厚度，也要增設更多的內部配筋，保證關鍵部位可以達到結構性能需求。

（3）擴大剪力墻截面尺寸，從而滿足底部框架剪力墻抗剪剛度合格。

（4）增設底部的配筋率，從而讓底部構造的抗力、延性等都符合相關的標準。

（5）框支柱上方的剪力墻構造，其里面的配筋一定要符合標準，而且要確保連接部位牢固、合格，達到一定的抗震性、延展性。

6結語

高層建筑框支剪力墻結構設計是整個結構設計中非常重要的環節，必須維持結構設計的優化，控制不規則問題，保證不同部分都能達到安全、牢固的效果，而且達到理想的抗震性能和標準，這就需要科學掌握設計理念，提高設計工作質量，從而確保建筑工程結構和質量。

參考文獻

[1]GB50009-2012建筑結構荷載規范（2012版）[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[2]李國強.建筑結構抗震設計[M].中國建筑工業出版社，2014.

[3]GB50011-2010建筑抗震設計規范（2016版）[S].北京：中國建筑工業出版社，2016.

[4]李宏男著.結構多維抗震理論[M].科學出版社，2006.

[5]方鄂華編著.高層建筑鋼筋混凝土結構概念設計[M].機械工業出版社，2004.

[6]張維斌.混凝土結構設計問答[M].中國建筑工業出版社，2014.

[7]楊慎銀，陳志城.某框支剪力墻高層結構設計及抗震性能分析[J].廣東土木與建筑，2019，26（7）：12–17.