高層建筑剪力墻結構優化設計分析探討

王震

目前剪力墻結構已經得到了高層建筑工程的廣泛應用，該結構剛度性能與側翼性能較好，能夠提高建筑的抗震效果，滿足高層建筑對剛度、側移水平及穩定性的要求。但是在剪力墻結構設計方面，因為受到多種因素影響，設計仍不完善，因此需要采取有效的措施對剪力墻結構進行優化設計，為高層建筑的安全性和穩定性提供保障。

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。同框架結構進行比較，剪力墻結構的美觀效果更好，適用性更廣。因此在建筑中使用剪力墻結構為室內裝修提供便利，有效提高室內使用面積。同時剪力墻具有較大的抗側剛度，抗震效果較好。但是因為剪力墻需要使用較多的混凝土墻體，直接導致高層建筑物自重提升，可能會引發地震反應，因此需要做好防范措施，加大對剪力墻高層建筑上部結構與基礎施工的投入力度，強化其穩定性。同時剪力墻結構各墻肢軸壓比較低，難以發揮其承載性能[1]。構造配筋施工形式導致結構延展性不佳，都會對剪力墻質量造成不利影響。因此需要在確保其本來抗側性能的前提下，對結構進行優化，降低成本，提高高層建筑質量。

1.1 剪力墻概述

現如今剪力墻已經得到了高層建筑的廣泛應用，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 剪力墻分類

對目前情況進行分析，根據剪力墻性質可以將其分為下述幾種類型：（1）實體墻。實體墻的承受載荷性能較好，同時具備良好的抗彎性能，通常情況下墻體不開洞或者存在少量小尺寸洞口。（2）整體小開口剪力墻。多數情況下，如果墻上開口面積大于全部剪力墻15%，通過受力分析能夠發現，本來在洞口為直線分布的正應力移動到洞口兩側，雖然不會引發異常問題，但是可能因為外力因素導致反向彎曲情況。（3）壁式框架。洞口尺寸較大，連梁線剛度同墻肢線剛度較為貼近的墻體便是壁式框架。

2.高層建筑剪力墻設計原則

2.1 連續性

在進行剪力墻結構設計過程中，具有多種結構形式，展開工作前需要根據工程要求及施工環境選擇合理的結構。剪力墻結構在高層建筑工程中十分常見，其主要作用便是提高建筑的整體承載性能。因此在進行設計時需要遵循連續性原則，以防剛度變化導致建筑存在位移情況。在實際設計階段需要堅持自上而下布置原則，以防剛度變化對工程整體結構的穩定性造成影響。

2.2 對墻體進行受力分析

在高層建筑剪力墻結構設計階段，還需要信息分析墻體混凝土應力情況。作為一種建筑平面結構，墻體壓力還包括水平剪力、彎矩及豎向壓力。因此在設計階段需要全面分析受力情況，重點研究剪力墻的自身應力，進而提高剪力墻使用效果。

2.3 墻體延性

在對剪力墻結構進行設計的過程中，需要全面分析墻體的延性，墻體延性對剪力墻結構具有一定的影響，因此如果設計質量存在問題，過高或者過薄，都會導致連接梁使用問題，進而引發張拉、彎曲等問題，造成剪力墻結構受損。因此，在實際設計過程中需要加強對剪力墻安全性能的重視，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[2]。

3.高層建筑剪力墻結構優化設計

在滿足剪力墻結構成對、對稱的原則下，通常需要沿建筑物主軸線進行步驟，作為建筑物隔離墻。因此設計人員需要結合現場施工實際情況進行設計，制定科學合理的優化方案。通過大量的實例研究，本文對高層建筑剪力墻結構優化進行分析，主要需要從下述幾個方面進行優化。

3.1 剪力墻結構設計優化

剪力墻結構布置原則為沿主軸方向雙向布置，進而成為空間結構。因此高層建筑需要做好抗震設計，因此對剪力墻進行布置的過程中，不能使用單向布置方法，使剪力墻空間增加，減少結構重量，進而有效提升其抗側剛度與承載性能。首先需要對剪力墻墻面進行簡單規劃，保證開設洞孔的整齊，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[3]。其次，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。

3.2 剪力墻結構配筋優化

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。分析過往高層建筑結構設計，多數情況下剪力墻配筋均根據相關規范標準的最小配筋率進行配筋的構造，因此需要對墻體厚度進行控制，進而實現對剪力墻身鋼筋用量的有效控制。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。在選擇剪力墻結構配筋時，需要確保材料符合工程測算及相關標準要求，水平鋼筋需要設置在外側，垂直鋼筋需要設置在內側，根據具體情況展開優化設計，進一步降低成本。

3.3 剪力墻結構連梁設計優化

對高層剪力墻結構來說，連梁是其十分重要的一種耗能構件，對于抗震設計來說至關重要，具有良好的耗散地震能量的效果。在實際設計階段，設計人員需要認識到剪力墻的一大優勢便是具備良好的抗震性能，因此對連梁彎矩和連梁剪力進行設計的過程中，需要保證兩者具有良好的可塑性和可調幅性。除此之外，如果條件允許，還需要適當降低剪力墻連梁截面的高度數值。

因為連梁的主要作用為提高剪力墻高度以及連接墻肢，因此設計人員需要合理調整連梁的高度并進行詳細計算，適當減少連梁剛度，將高層建筑結構抗震性能作為主要保障。在進行折減計算的過程中，設計人員需要根據高層建筑具體情況，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。在具體調整過程中，因為受到其他因素的影響，導致連梁剛度減少也無法滿足預期目標的情況，因此使剪力墻結構抗震性能不合格，設計人員可以適當減少連梁剛度，降低連梁高度，通過這一方法有助于減少地震對建筑物造成的影響[4]。

3.4 優化平面布置

平面布置工作同剪力墻承載性能、剛度分布、結構穩定性等關系密切，如果設計不合理可能導致承載力與剛度不符，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。因此設計人員需要加強對該部分設計工作的重視，根據設計要求以及剪力墻設計方案，提高剪力墻平面布置工作水平，確保房屋結構平面設計的規范性，保證綜合布局的合理性。除此之外，還需要全面優化內外墻體連接設計，確保墻體截面的規則性。

3.5 剪力墻層間位移比與最大位移比優化設計

對高層建筑剪力墻結構進行設計的過程中，設計人員需要對建筑物遭受地震后產生的層間位移、扭轉變形等相關參數進行計算，對剪力墻垂直、水平構件數進行合理設計，禁止隨意更改構件剛度，最大限度防止樓層間與剪切發生變形[5]。

3.6 剪力墻結構計算優化

設計人員對高層建筑剪力墻結構進行設計的過程中，還需要對結構是否合理進行全面檢查。保證剪力墻剛度適宜，在符合樓層層間位移和層高比的前提下，將最小剪力系數作為比較，能夠保證計算結果符合規范值。同時還需要全面分析剪力墻連梁是否合理、底部軸壓比是否符合相關規范。合理選擇計算參數十分重要。首先，對周期折減系數進行選擇。如果剪力墻結構填充墻體較多，需要選擇0.9～1.0范圍內參數；反之需要選擇1.0。主體結構剛度大，填充墻對主體結構影響較小，反之同理。其次，合理選擇振型個數。前提條件為振型參與質量超過總質量的90%。高層建筑地震作用振型數非耦聯，n ≥9，耦聯，n ≥15。

4.結語

綜上所述，當今高層建筑對剪力墻結構的應用愈加普遍，如果剪力墻結構設計存在問題，勢必對建筑的整體穩定性和安全性造成影響。因此設計人員需要采取有效的措施，從結構設計、連梁設計、配筋選擇、平面布置等多方面出發，全面優化剪力墻結構設計，為工程的穩定性提供保障，降低成本，促進建筑行業的可持續發展。