淺析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)與剪力墻設(shè)計(jì)

文／田環(huán)祥 中煜恒安（北京）建設(shè)工程有限公司 北京100000

引言：

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提升，越來(lái)越多的高層建筑出現(xiàn)在生活中，并且人們對(duì)于高層建筑的需求日益增長(zhǎng)、要求逐漸提高，這無(wú)形之中促進(jìn)了高層建筑工程行業(yè)的發(fā)展。高層建筑工程中主要是對(duì)居民房、商場(chǎng)、寫(xiě)字樓等進(jìn)行建設(shè)，是人們活動(dòng)的主要場(chǎng)所，其質(zhì)量與人們的生活、安全息息相關(guān)。因此，高層建筑的建設(shè)應(yīng)基于安全的前提下，再考慮設(shè)計(jì)感與美觀度，而剪力墻的應(yīng)用則解決了人們對(duì)強(qiáng)度、剛度和抗震能力的要求，有效的提高了安全性，并且還能縮短施工時(shí)間，目前被廣泛的應(yīng)用在高層建筑的建設(shè)當(dāng)中。由于剪力墻的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)與高層建筑物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有著直接而又緊密的聯(lián)系，所以相關(guān)人員在實(shí)地考察的工作中必須要有認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，并結(jié)合考察結(jié)果展開(kāi)細(xì)致的研究和分析，從而進(jìn)一步確定地質(zhì)、建筑特點(diǎn)等方面的情況，這樣才能更好的發(fā)揮出剪力墻的作用，從而確保高層建筑的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性。

1、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 高層建筑結(jié)構(gòu)類型

（1）框架結(jié)構(gòu)

用鉸接或鋼接將梁和柱連接起來(lái)所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體系即為框架結(jié)構(gòu)。與其他高層建筑結(jié)構(gòu)相比，框架結(jié)構(gòu)在高層建筑建設(shè)中的應(yīng)用時(shí)間是最長(zhǎng)，高層建筑一開(kāi)始采用的便是這種結(jié)構(gòu)。不過(guò)框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)非常明顯，它的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在空間上的靈活性，缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在抗震性能的不足，所以比較適合小型建筑。

（2）剪力墻結(jié)構(gòu)

用鋼筋混凝土墻板來(lái)承受水平與豎向力的結(jié)構(gòu)為剪力墻結(jié)構(gòu)。在高層建筑建設(shè)的過(guò)程中，一般采用平面形式設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行雙向或多向的布置，使其能受到水平與豎向兩個(gè)方面的荷載作用。剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要在于其有較好的側(cè)向穩(wěn)定性，有較高的抗震性能，非常適合用于較高的建筑。不過(guò)其缺點(diǎn)也較為明顯，剪力墻結(jié)構(gòu)并不能起到較好的提高空間靈活性的作用。

（3）框剪結(jié)構(gòu)

框架結(jié)構(gòu)和剪力結(jié)構(gòu)組合形成的結(jié)構(gòu)體系為框剪結(jié)構(gòu)，這也是其名字的由來(lái)。在框剪結(jié)構(gòu)中，框架結(jié)構(gòu)占據(jù)主體地位，剪力墻結(jié)構(gòu)發(fā)揮輔助的作用，不僅彌補(bǔ)了兩個(gè)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，還放大了兩個(gè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，所以得到了廣泛的應(yīng)用，特別適合一些對(duì)抗震性和空間靈活性較高的大型建筑。

（4）簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)

由豎向的簡(jiǎn)體去承受水平或豎向荷載的體系為簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)是以框架、剪力墻兩種結(jié)構(gòu)體系發(fā)展而來(lái)的，具有封閉性的特點(diǎn)，與前幾種結(jié)構(gòu)相比，它在受力方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，使高層建筑的高度得到了進(jìn)一步的提高。

（5）簡(jiǎn)體組合結(jié)構(gòu)與其他巨型結(jié)構(gòu)

隨著高層建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，更多結(jié)構(gòu)體系被開(kāi)發(fā)和應(yīng)用在實(shí)際的施工過(guò)程中，結(jié)構(gòu)體系之間也以不同的形式相融合，產(chǎn)生了許多新的結(jié)構(gòu)體系，如特巨型結(jié)構(gòu)。

1.2 高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）重視軸向變形

與其他建筑物相比，高層建筑要承受更大的豎向負(fù)荷，所以柱體、構(gòu)件發(fā)生變形的幾率也會(huì)更大，嚴(yán)重的話會(huì)影響人的生命安全。這些因素不僅造成了端支座負(fù)彎矩、跨中的正彎矩?cái)?shù)值的增大，還導(dǎo)致了梁的中間彎矩?cái)?shù)值的減少。針對(duì)以上問(wèn)題，在設(shè)計(jì)高層建筑的過(guò)程中，必須要提高重視度，對(duì)于問(wèn)題要采取相應(yīng)的措施進(jìn)行調(diào)整與處理，以此延長(zhǎng)構(gòu)件的使用期，消除安全隱患。

（2）注意水平荷載

在高層建筑建設(shè)中，通常情況下豎向荷載都是固定不變的，而水平荷載則不相同，它會(huì)受到結(jié)構(gòu)的影響而產(chǎn)生相應(yīng)的變化，與高度和軸力是正比的關(guān)系，所以結(jié)構(gòu)的水平荷載受到了高層建筑設(shè)計(jì)人員的高度重視。

（3）注重結(jié)構(gòu)延性

無(wú)論是在哪一種建筑當(dāng)中，設(shè)計(jì)人員都要重視結(jié)構(gòu)延性。一般來(lái)說(shuō)，高層建筑的結(jié)構(gòu)比較柔和，一旦發(fā)生地震，建筑就很有可能發(fā)生變形的問(wèn)題，所以為了有效避免這一問(wèn)題，應(yīng)該通過(guò)各種措施、想方設(shè)法的提高建筑抵抗變形的能力，使建筑具備較好的延展性。

1.3 高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

（1）選擇適宜的簡(jiǎn)圖

在高層建筑設(shè)計(jì)前，設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合施工需求、施工合同等設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖。在此過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員要注意以下兩個(gè)方面：第一，必須使用正確的計(jì)算公式，確保各項(xiàng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。第二，制定相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改善措施，簡(jiǎn)圖應(yīng)經(jīng)過(guò)反復(fù)的推敲后方能確定。如果未能選擇與建筑工程相符的簡(jiǎn)圖，那么很有可能在中途中出現(xiàn)改結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，不僅影響了施工進(jìn)度，還降低了建筑的質(zhì)量，最嚴(yán)重的后果就產(chǎn)生安全事故。由此可見(jiàn)，簡(jiǎn)圖的重要性，一定要對(duì)此提高重視。

（2）選擇合適的方案

建筑方案對(duì)高層建筑工程有序施工、在工期內(nèi)完成施工等都有著重要的意義，所以必須要選擇合適的方案。在制定建筑方案的過(guò)程中，要注意一下幾個(gè)問(wèn)題：第一，確保方案的經(jīng)濟(jì)適用性，避免浪費(fèi)不必要的資源。第二，確保方案的可行性，切忌將不同結(jié)構(gòu)隨意的混合使用。第三，確保方案的實(shí)用性，按照施工要求制定方案，一點(diǎn)更要達(dá)到結(jié)構(gòu)清晰、受力明確等相關(guān)要求。

（3）進(jìn)行精確的計(jì)算

準(zhǔn)確的計(jì)算是合理設(shè)計(jì)高層結(jié)構(gòu)的重要保障，所以設(shè)計(jì)人員要做好計(jì)算的工作。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，信息技術(shù)在高層建筑建設(shè)施工中得到了廣泛的應(yīng)用，豐富了計(jì)算工作的方式和方法，提高了計(jì)算的準(zhǔn)確率與效率。基于此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)提高自身信息素養(yǎng)，熟練掌握計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行計(jì)算，為后續(xù)的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員也要掌握相關(guān)軟件的應(yīng)用知識(shí)。

1.4 高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制要點(diǎn)

（1）材料的選取

在高層建筑施工之前，要根據(jù)實(shí)地情況、周邊環(huán)境、氣候變化等因素進(jìn)行綜合的考慮與分析，并根據(jù)分析結(jié)果選取材料。通過(guò)這樣的方法，建筑的整體質(zhì)量得到有效保障，還降低了后續(xù)施工和使用過(guò)程中發(fā)生意外的概率。同時(shí)，還要確保選取的結(jié)構(gòu)材料以及設(shè)計(jì)的圖紙、方案等滿足施工要求、我國(guó)對(duì)建筑行業(yè)的相關(guān)要求。

（2）結(jié)構(gòu)體系的選擇

在高層建筑建設(shè)中，要分析結(jié)構(gòu)體系的承重效果以及其他因素對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，并按照分析結(jié)果選擇結(jié)構(gòu)體系。此外，對(duì)于建筑物抗側(cè)力也要有一定的掌握這樣能減少外力的干擾，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的目標(biāo)。

2、剪力墻設(shè)計(jì)

2.1 剪力墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

在高層建筑工程中，剪力墻起著承擔(dān)不同方向荷載的作用，還能控制水平力上的部分結(jié)構(gòu)。大部分剪力墻結(jié)構(gòu)都是由墻肢和連梁構(gòu)成的，與其他結(jié)構(gòu)相比，它的明顯優(yōu)勢(shì)在于剛度大、穩(wěn)定性墻。除此以外，剪力墻的應(yīng)用還能實(shí)現(xiàn)減少成本的目標(biāo)，不會(huì)使用過(guò)多的鋼制材料，具有增效、增益的優(yōu)點(diǎn)。不過(guò)由于它也會(huì)增加建筑的自身重量與結(jié)構(gòu)延性，所以地震對(duì)其影響更加嚴(yán)重。為提高剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用效率，還需要在后續(xù)的研究中針對(duì)其現(xiàn)存優(yōu)點(diǎn)做出進(jìn)一步分析，并制定相應(yīng)的優(yōu)化方案。

2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

首先，確保剪力墻長(zhǎng)寬比例適中。通常情況下，剪力墻的高和寬的尺寸都較大，厚度較小。剪力墻的形狀和板差不多，但它的受力特征卻和板完全不同，與柱子相似。具體來(lái)講，當(dāng)剪力墻的長(zhǎng)度和厚度的比值小于或等于4 時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以參考普通柱子的受力特征進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)這一比值大小4 時(shí)，剪力墻受壓是雙向的，所以可以參考異形柱的受力特征進(jìn)行設(shè)計(jì)。

其次，確保剪力墻滿足剛性要求。在高層建筑中，剪力墻要承受水平和豎直兩個(gè)方向的壓力。在這種情況下，它的狀態(tài)和嵌固在底部的梁相似。為避免在地震、臺(tái)風(fēng)等惡劣的環(huán)境中建筑物發(fā)生變形的問(wèn)題，在設(shè)計(jì)時(shí)一定要滿足剛性要求。同時(shí)，還要估算建筑的能量損失、明確結(jié)構(gòu)延性的需求，這樣才能確保剪力墻在外力的作用下不會(huì)受到破壞，在這里建議將剪力墻設(shè)計(jì)為彎曲型，以此實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。

（2）剪力墻設(shè)計(jì)注意問(wèn)題

為更好的發(fā)揮出剪力墻結(jié)構(gòu)在高層建筑施工中的作用，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該采用相應(yīng)的措施有效控制相關(guān)因素對(duì)施工的影響，這就需要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：

第一，做好結(jié)構(gòu)材料的選擇。在針對(duì)建造材料進(jìn)行采購(gòu)的過(guò)程中，必須要更為嚴(yán)格、詳細(xì)的審查供應(yīng)商的各項(xiàng)信息與資料，例如：經(jīng)營(yíng)許可證、資質(zhì)、生產(chǎn)許可證等。與此同時(shí)，在建造材料進(jìn)入施工所在區(qū)域以前，施工管理人員必須要將抽樣檢查工作做好。只有對(duì)建造材料的質(zhì)量、性能做出保證，質(zhì)量合格，方可進(jìn)入到施工現(xiàn)場(chǎng)。在此過(guò)程中，要按照施工要求選擇結(jié)構(gòu)材料，從而有效避免各種問(wèn)題的發(fā)生，如結(jié)構(gòu)粘接出現(xiàn)裂痕等。

第二，做好施工質(zhì)量檢測(cè)的工作。在完成剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，正式施工時(shí)必須要將施工合同當(dāng)中的各個(gè)條款、規(guī)定作為依據(jù)，嚴(yán)格管理所有施工環(huán)節(jié)，將質(zhì)量監(jiān)督、驗(yàn)收等工作整體強(qiáng)化，以保證施工中各個(gè)細(xì)節(jié)的質(zhì)量與規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)相符合，實(shí)現(xiàn)工程總體施工效率、質(zhì)量的提高，減少變更行為的發(fā)生。同時(shí)，在關(guān)鍵性施工環(huán)節(jié)的過(guò)程中應(yīng)采取旁站式監(jiān)督，確保能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工中存在的問(wèn)題，并進(jìn)行一定的干預(yù)，提升剪力墻結(jié)構(gòu)澆筑的安全性。這樣也能有效避免后續(xù)發(fā)生結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的問(wèn)題，消除安全隱患。

圖1 剪力墻施工現(xiàn)場(chǎng)

2.3 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施

（1）剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第一，轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)布置。剪力墻稱重系統(tǒng)由橫向與縱向兩個(gè)方向承重板交錯(cuò)排布組成，一般是由主軸方向進(jìn)行雙向布置，形成空間結(jié)構(gòu)，從而承載兩個(gè)方向相同強(qiáng)度的重量，這樣能有效彌補(bǔ)剪力墻空間不靈活這一缺點(diǎn)。同時(shí)，可以利用剪力墻結(jié)構(gòu)側(cè)向高度更大的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

第二，洞口布置。剪力墻結(jié)構(gòu)在抗震方面存在一定的不足，所以在高層建筑中應(yīng)以彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)為目標(biāo)，優(yōu)化洞口的布置。在此過(guò)程中，要注意設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性，確保結(jié)構(gòu)的清晰。同時(shí)，如果截面的規(guī)則性不能得到一定的保證和保持，那么很容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)混亂的問(wèn)題，從而影響工程的質(zhì)量。同時(shí)，關(guān)于短肢剪力墻設(shè)計(jì)的控制也要進(jìn)一步增強(qiáng)，不過(guò)需要注意的是，不能夠多使用這種結(jié)構(gòu)，會(huì)降低結(jié)構(gòu)自重，從而影響工程的安全性。

（2）連梁設(shè)計(jì)

剪力墻只有具有一定的剛度和強(qiáng)度，才能確保其與連梁結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)。通常情況下，連梁在高層建筑的設(shè)計(jì)中，都發(fā)揮著提高剪力墻剛度的作用。在設(shè)計(jì)連梁時(shí)要結(jié)合實(shí)際施工情況，根據(jù)施工要求計(jì)算結(jié)構(gòu)參數(shù)，并且可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼蹨p。

結(jié)語(yǔ)：

綜合而言，在社會(huì)發(fā)展過(guò)程中，高層建筑越來(lái)越多，該種建筑類型的體型大，結(jié)構(gòu)繁瑣，人員密集，承受荷載大，涵蓋的功能相對(duì)較多，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在較強(qiáng)的困難性。并且，因?yàn)槎喾矫鎲?wèn)題的出現(xiàn)，也增加了不同的隱患，與小型建筑相比，安全問(wèn)題會(huì)更多。如果不能合理的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)體系等，就會(huì)發(fā)生不同程度的問(wèn)題。由此可見(jiàn)，強(qiáng)化與優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性，是確保施工質(zhì)量與效率能夠顯著提升的關(guān)鍵因素，同樣，也是維護(hù)群眾日后使用建筑安全的重要途徑，可顯著降低安全事故發(fā)生的機(jī)率，延長(zhǎng)建筑的使用壽命和周期。基于此，無(wú)論是為了提高質(zhì)量，確保安全性，還是為了促進(jìn)行業(yè)發(fā)展，相關(guān)單位、管理人員、設(shè)計(jì)人員都需要加大重視，強(qiáng)化對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的力度，結(jié)合現(xiàn)狀，針對(duì)性地制定措施。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員也要提高自身專業(yè)素養(yǎng)，在高層建筑中制定明晰的方案，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，通過(guò)優(yōu)化各環(huán)節(jié)的工作，實(shí)現(xiàn)降低成本，提高安全性與效率的目標(biāo)。此外，也要提高對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用的重視度，基于應(yīng)用現(xiàn)狀做出進(jìn)一步的分析，更好的發(fā)揮出它的作用。