高層建筑剪力墻結構設計優化探究

藥帥

（太原王孝雄建筑設計院（有限公司），山西 太原 030000）

0 前言

目前我國的剪力墻主體結構得以廣泛應用于高層建筑項目，該結構剛度性能與側翼性能較好，能夠增強建筑的抗震效果，滿足高層建筑對剛度、側移水平及穩定性的要求。但是，由于剪力墻主體結構的設計過程中受到多種因素的影響，設計仍然存在著不盡人意的問題，所以我們就需要針對性地采取一些有效的手段來優化主體結構設計，為其在高層建筑中的安全與穩定性發展提供一個保障。

1 高層建筑剪力墻概況

1.1 高層建筑剪力墻結構概述

剪力墻是一種具有一定剛度和整體性的結構，不但用鋼量較少，同時建成后不存在露柱露梁情況。同其他框架結構相比，剪力墻結構的設計美觀和實用性效果都更佳，適合使用。所以在建筑中采用剪力墻的結構給室內設計和裝飾提供便利，有效增加了室內的使用面積。剪力墻結構的各個墻肢之間的軸壓較小，難以發揮其承載性能，由于構造配筋的施工方法導致的結構伸縮性不好，都會給剪力墻的質量帶來不利的影響。如今剪力墻已被廣泛地應用于高層建筑中，屬于墻體結構的一種，其構成材料為鋼筋混凝土，在橫向與縱向承重板的交錯作用下產生承重性能。因為其結構能夠有效保障高層建筑的穩定性與抗側性，提高其剛度性能與抗震性能，并且剪力墻能夠將承重柱隱藏于內部，節約空間的同時滿足居民生活需要。

1.2 高層建筑剪力墻設計原則

在進行高層建筑的剪力墻結構施工階段，還是根據需要來分析剪力墻體中鋼筋混凝土的應力狀態。在對剪力墻結構進行設計時，需要全方位分析墻體的伸延性，墻體伸延性對于剪力墻的結構具有很大的影響，因此如果在設計時質量上出現了問題，過高或者太薄，就可能會直接造成連梁的使用出現問題，進而可能引發出現張拉、彎曲等問題，造成剪力墻結構受損。因此，在實際的建筑設計中也就需要進一步加強對建筑剪力墻安全防護性能的正確認識和高度重視，避免發生彎曲問題。同時截面部分還需要設置一個孔，將墻體分為多個部分，形成連接墻，使剪力墻延性效果發揮作用。

1.3 高層建筑剪力墻分類

根據剪力墻的性質，我們可以把它劃分為一系列的幾種形式：①實體墻，實體墻的強度和承受重物載荷的性能都比較高，同時還要有良好的耐腐蝕和抗彎韌性，通常墻體并沒有打開任何洞或者是存在很少的小尺寸孔；②小型開口剪力墻，多數的情況下，如果墻上一個開口的面積超過全部剪力墻15%，通過受力分析就能夠看出，本來在這個洞口作為一條直線分布的正應力已經移動到了洞口兩側，雖然這個洞口并沒有造成任何異常的問題，但是很有可能由于外力原因而導致反向彎曲。

2 高層建筑剪力墻結構設計優化策略

2.1 剪力墻結構設計優化

剪力墻的結構布局原則上認為是沿著主軸線的方向進行雙向布局，對于高層建筑而言，就需要有效的做好其抗震設計，因此對于剪力墻在其進行布置時，不能夠直接使用單向布置的方法，使剪力墻的空間變大，減少了結構的重量，進而有效提升其抗側剛度與承載性能。①需要在施工前對剪力墻的表層進行簡易的規劃，保證所有開設的洞孔都是整齊，為后續形成梁提供便利，以防洞孔錯開、分布不平衡等情況，對結構造成不利影響；②在具體設計階段，設計人員需要對建筑物結構進行全面分析，保證設計結構符合墻體水平面內剛度、承重性能等要求，基于位移、周期比等相關指標，對墻體厚度加以明確。如果指標不符合標準，需要繼續優化，根據具體情況對剪力墻結構進行設計，確保其穩定性以及高層建筑的整體安全性。對高層建筑工程造價來說，合理控制剪力墻配筋具有重要意義。分析了過往高層建筑的結構設計，多數情況下剪力墻的配筋均是根據國家相關規范和標準中所規定的最低配筋率來實現配筋構造，因此我們需要有效控制剪力墻身鋼筋的厚度，進而達到有效控制剪力墻身鋼筋使用量。在正式施工前選擇合理、優質的材料十分重要，主要在于鋼筋材料的選擇，需要對其進行檢查，保證其質量性能達標后方可進場投入使用。在進行剪力墻結構配筋選擇時，需要注意確保配筋材料必須符合工程量測算及國家相關規范的要求，水平鋼筋一般需要配筋設置在外側，垂直鋼筋則需要配筋設置在內側，根據其具體情況進行展開最佳優化設計，進一步降低成本；③對于高層剪力墻的結構而言，連梁也是其非常重要的費用構件，對于抗震設計而言至關重要，具有很好的消耗地震資源和能量。在高層建筑進行折減費率計算的同時，設計師們也需要依照高層建筑的具體情況，對減少值進行合理控制，通常情況下需要將其控制在0.5以上，并且在0.5～1.0這一范圍區間中，保證其最佳狀態。在具體進行調整的過程中，因為剪力墻受到其他各種環境因素的干擾，導致連梁剛度的減少，也就是說無法達到所要求，因此即使得剪力墻的結構承載抗震能力不合格，設計者們也可以適當地減少連梁的剛度，降低了連梁高度，通過這種調整方法可以盡量減少由于大自然災害而給建筑物帶來的影響。

2.2 碳纖維復合材料加固技術

為了保證其抗震、耐腐蝕等性能，剪力墻主體結構必須具備足夠大的變形性和承受荷載的能力。在進一步提高建筑剪力墻主體結構抗震性能的同時，又必須始終保持主體墻的耐損耗能力，以滿足現代建筑抗震設計標準規范的特點。許多新型的加固工藝技術己經被研究開發和進行了對于鋼筋混凝土建筑外墻的加固，其中碳纖維復合材料的加固工藝技術因其自身的重量輕、施工方便、耐腐蝕性能好等優點而最受歡迎。然而，大多數研究者研究了碳纖維復合材料纏繞技術在既有弱剪力墻抗震改造中的作用，在提高其抗震性能的過程中要在不影響墻體耗能能力的前提下，將碳纖維復合材料筋條粘接在兩面墻上，以提高其墻體抗震性能的強度。另外，在對剪力墻進行施工設計時還要十分注意重視技術和管理工作，培養剪力墻施工設計過程中技術和管理者的專業技能。剪力墻施工過程的管理人員負責整個剪力墻施工的統籌管理，上至工期安排下至材料存放，要做到心中有數。但很多企業對于管理方面不是很重視，整個剪力墻施工完全是靠工作人員自主完成，沒有人對其進行監督管理。大部分施工人員對剪力墻施工的操作都很陌生，這時管理人員的出現就是必要的了，嚴格的管理制度是短肢剪力墻施工的有力保障，剪力墻施工管理工作從始至終貫穿施工工程，制備完善的剪力墻施工管理體系意義頗深。要制訂切實可行的管理辦法，合理分配施工人員，確保各司其職。到現場進行實地考察，根據實際情況及時得出下一步的可行方案。另外，在開始正式施工之前，有必要對所有參與人員進行技術培訓，確保每位工作人員都能理解剪力墻施工的具體環節，具備所需的專業技能。另外，還要進一步優化建筑的平面布置，平面的布置與其工作性能及剪力墻的承載剛度分布、結構穩定性等有密切的關系，如果設計不合理就可能造成承載力和剛度的不符，或者結構存在扭轉效應等不良問題，墻體存在程度不一的彎曲和變形。因而設計師需要提高和加強對該部分建筑物的設計工作重視，根據建筑物的設計需求以及相應的剪力墻總體設計方案，提高建筑物剪力墻在建筑物平面上的綜合布置技術水平，確保建筑物的綜合布置和建筑物平面上的設計規范性，保障綜合布置的科學和合理。除此之外，還需全面優化內外圍墻體的連接和設計，確保其橫向和縱向截面的規律。

2.3 科學制定剪力墻的數目

剪力墻的抗震性能隨著建筑層數的增加而呈下降趨勢，因此，在較高層建筑的施工過程中應該盡量避免大面積剪力墻的應用，引起建筑不必要的安全風險。在剪力墻的應用過程中，要根據實際情況合理安排剪力墻的數目，確保剪力墻應用的科學合理，在提升建筑抗震性能的前提下保障用戶的安全。另外，在進行剪力墻澆筑和施工的過程中，要嚴格根據有關國家規定和法律的要求執行，按照國家相應的技術和法律法規進行澆筑和施工，在符合國家設計要求的前提下進行剪力墻的施工。在實際進行施工的過程中，剪力墻所設定的材料數目多少都需要經過嚴格分析，墻肢的長度應該是根據建筑物的尺寸來度量，盡量減少和降低剪力墻體通風時具有高于建筑物剛性的強度，防止剪力墻體質量和水平下降，抗震性能大大減弱，給施工建筑造成不必要的損失。在對短肢剪力墻的數量設定不合理的條件和情況下，即使在很短的時間內對其沒有任何威脅，也可能會直接導致剪力墻體太過柔性，雖然它們能夠同時承受較大的側向力，但是橫向的承載力卻會有所降低，給施工工程留下很大的安全隱患。而且在高層建筑中對剪力墻結構進行設計過程中，設計師們還需要根據建筑物在遭受強烈地震后所產生的樓層間位移、扭曲變形等與其相關參數進行綜合計算，合理設計剪力墻的垂直、水平結構件個數，禁止隨意改動構件剛度，最大限度地防止由于樓層間與剪切而導致的變形。設計師在高層建筑的剪力墻結構設計過程中，還需要對結構是否合理進行全面檢查。保證了剪力墻剛度合理，在符合建筑樓層層間的位移及層高比較的必要前提下，將最小剪力系數進行作為比較，能夠有效保證所得的計算結果符合規范值。同時也需要全面分析剪力墻連梁是否合理、底部軸壓比等情況。

3 結語

綜上所述，當今我國高層建筑中剪力墻主體結構的研究和應用日益普遍，若是剪力墻主體結構的設計中存在一些問題，勢必會給建筑物的整體穩定性以及其安全系統帶來一些影響。因此，必須及時采取有效的技術措施，全面優化剪力墻的結構設計，促進建筑行業的可持續發展。