高層結構設計中短肢剪力墻的運用

陳煒

（中土集團福州勘察設計研究院有限公司，福州 350000）

1 短肢剪力墻在高層結構設計中的特點

在高層結構設計中，短肢剪力墻是剪力墻的主要應用模式。鋼筋混凝土是短肢剪力墻普遍使用到的材料。一般情況下，在高層建筑施工中，剪力墻的厚度設計應在300 mm以下，而墻肢與墻體厚度之間的比值應超過12.5。在高層結構設計中剪力墻被普遍使用，但是在應用中具體問題應具體分析，應結合各建筑的不同使用功能和結構來設計合理科學的使用方案。本文從兩個方面來分析短肢剪力墻的特點。

1.1 能夠充分保證建筑功能的實現

由于建筑架構中填充墻與墻肢厚度在一定程度上是相等的，與剪力墻相連的墻體整體是在一個平面上，從而有效解決了梁柱凸出的問題。同時，短肢剪力墻使用到的構件還能在一定程度上擴大建筑物的空間使用面積。

1.2 靈活滿足建筑結構的設計需要

中墻肢和梁柱在建筑結構中會占用到空間面積，采用短肢剪力墻可以有效地隱藏中墻肢和梁柱，設計出更加靈活的空間和布局結構。墻的數量以及墻體肢長可以根據抗側體的需要來設計，墻體剛度和剛度的核心位置都可通過調整尺寸和布置來進行安排。

2 短肢剪力墻與普通剪力墻相比的優勢

總結分析建筑實踐中不同剪力墻的應用效果，明顯發現短肢剪力墻相較普通剪力墻有較大優勢，主要體現在以下幾個方面：（1）短肢剪力墻的墻肢高度和寬度指數較高，結構極具穩定性，可以有效承載房屋的壓力，相比于傳統的剪力墻結構，減少了對鋼筋混凝土的使用量。（2）短肢剪力墻能夠有效增強結構的自振周期，不會因為抗側移剛度大而導致抗震當中產生較強反應。（3）短肢剪力墻的結構布局靈活，能夠根據建筑物的功能調整建筑空間結構[1]。另外，短肢剪力墻的填充墻通常會利用輕質的砌體筑成，這樣可以有效減輕墻體的質量，增強整個建筑物的抗震性能。（4）短肢剪力墻擁有跨度比較大的連梁，若發生地震，在連梁附件會產生塑性鉸，可以有效降低地震對房體帶來的傷害。

3 高層結構設計中短肢剪力墻的應用現狀

3.1 短肢剪力墻的使用數量缺乏合理控制

短肢剪力墻結構設計雖然有自身的優點，但在高層結構設計中也有不容忽視的缺點，比如，抗震性能相對較弱的問題。在實際建筑設計中，建筑設計方為了更好地提升建筑物的外在美感和內在空間架構，過度放大了短肢剪力墻結構設計的優勢，在高層結構設計中過度使用短肢剪力墻，沒有結合建筑物的功能，科學合理控制短肢剪力墻的使用數量，從而導致整個高層建筑物的抗震性能存在風險，嚴重影響了建筑質量。

3.2 短肢剪力墻的數據分析和運算缺乏嚴謹性

建筑結構設計離不開數據資料的支撐。在建筑施工前，需要運用科學的計算手段和方法，設計出合理的施工參數和指標，以此保證整個建筑結構設計符合安全和質量標準。目前，短肢剪力墻結構設計中運用到的數據計算軟件主要有TAT和SATWE等，每種軟件都有不同的計算方法和側重點，而這些卻在建筑設計環節被忽略了[2]，導致了高層建筑設計中很難設計出科學合理的施工圖紙，短肢剪力墻的厚度、高度等參數的設計也缺乏合理性，使得建筑物比例整體缺乏協調性，降低了建筑物的穩定性，自然而然也削弱了抗震功能。出現這種數據運算缺乏嚴謹性的問題，主要是因為在運算軟件的選擇上缺乏提前了解和比較，同時計算和分析方法也缺乏科學性。

3.3 短肢剪力墻在結構設計中的布局缺乏合理性

高層結構建筑對穩定性的要求會更高，在建筑結構設計中，一般會使用強度和硬度比較高的建材，如鋼筋混凝土等。此外，在具體施工過程當中，還需要對房屋建筑的施工結構進行科學的布置，明確每層建筑的核心支撐點，保障高層房屋建筑的穩定性和抗震性。但是，從當前我國高層結構設計對短肢剪力墻的使用情況來，剪力墻的布局混亂，缺乏嚴謹的規劃，如布置不均勻，不對稱等問題較多，導致了高層建筑的重心不穩或者偏移。密度過大的剪力墻布置，又會出現建筑物剛性過強、抗震能力較弱的問題。

3.4 短肢剪力墻的使用缺乏科學的優化設計方案

短肢剪力墻相比傳統的剪力墻具有明顯的優勢，建筑設計工程師在規劃剪力墻結構設計中，為了縮短施工周期或者考慮到建筑物的安全保障，對短肢剪力墻的建筑設計和使用，一般會偏于保守，導致建筑施工過程中難以充分發揮材料的性能，從而造成一定程度上的資源浪費，所以，進一步優化短肢剪力墻的設計方案勢在必行。

4 短肢剪力墻在高層建筑結構設計中的要求

4.1 使用材料的強度較高

結合剪力墻在高層建筑結構設計中發揮的承載和變形能力，其使用的混凝土強度不能過低，按照我國規范要求，在短肢剪力墻結構中的混凝土強度不能低于C30。由此可見，短肢剪力墻在高層建筑結構設計中，對使用材料的強度要求較高。

4.2 合理布局土地使用功能

城市化建設進程中，為了緩解用地壓力及合理布局土地使用功能，各個城市，尤其是大中城市的辦公寫字樓和商業住宅樓都以高層建筑為主體，設計時必須考慮到相應的抗震要求。短肢剪力墻的局部結構設計要求主要有以下幾個方面：（1）保證剪力墻的梁柱與墻肢在同一水平面上，墻體向兩端延伸時必須有梁柱與其連接。在圖紙設計時，盡量避免一字形的剪力墻結構出現。（2）如果是相對較高的建筑結構，則可以適當考慮增加部分長墻，保證電梯樓梯之間形成大型筒狀結構，結合更加全面布局的抗震體系來提高建筑物的剛度。短肢剪力墻的布局效果要與建筑物的整體結構相一致，分析建筑結構架構每一部分的受力情況，通過調節使各部分受力平衡均勻。（3）增加墻體周圍的墻肢厚度，根據具體的建筑物結構來適量增減鋼筋的數量，調節軸壓比例，以減輕短肢剪力墻水平受力的作用，避免墻體開裂的問題發生。如果建筑結構設計涉及豎向布置墻體，則首先需要對墻體進行整齊安排，盡量降低出現洞口錯位的概率，達到有效增強短肢剪力墻的抗側剛度。

5 高層結構建筑中關于短肢剪力墻的應用分析

5.1 短肢剪力墻在抗震性能上的分析

為了更好地提高高層建筑設計結構的抗震性能，必須保證樓層的最大水平位移小于該樓層兩端彈性水平位移的1.2倍。建筑物的空間結構模型進行計算設計時，還要將建筑受扭帶來的影響考慮進去。在抗震性能結構設計中，應根據建筑物的抗震等級對剪力墻的軸壓比例進行合理設計，尤其在延性設計上，要重點考慮一字形的短肢剪力墻，盡量將其軸壓比值降低到0.1。

5.2 短肢剪力墻在高層建筑結構設計中的布置分析

設計過程中對于短肢剪力墻的布置應該充分考慮建筑物本身的特點，一般要堅持均勻布置，合理控制墻的軸向應力等原則。如果存在短肢剪力墻的豎向布局，則要保證墻肢的上下能夠保持對齊一致并且做到連續排布，避免出現洞口錯位的情況，保證連梁與墻肢共同構成跨數較多的抗側體系。對于短肢剪力墻的厚度設計需要結合具體的規定，在不影響建筑物安全質量性能的前提下，盡量最大限度地減輕建筑物本身的自重。剪力墻的底部進行加強作業時，要保證底部厚度超過200 mm，但如果是一字形的剪力墻，底部厚度則要超過220 mm。其他建筑結構部位的厚度保持在180 mm以上即可。剪力墻在設計時要注意豎向設計保證從上到下均勻減少。

5.3 短肢剪力墻在設計參數和配筋率上的應用分析

短肢剪力墻的參數比值和數據資料需要結合建筑物底部以及其他各層的具體設計情況進行綜合考慮，如果抗震等級是一級、二級、三級，設計時參數則需要分別乘以1.4、1.2與1.1。這樣做的目的是避免使短肢剪力墻因為過早受到外力壓迫而被損壞。關于配筋率，需要根據短肢剪力墻自身的抗震等級來設計。一般情況下，如果抗震等級是一、二級配筋率則不小于1.2%，抗震等級如果是三、四級，則配筋率在1.0%以上。一字形的短肢剪力墻需要著重考慮延展性以及外部穩定性，如果可以，則盡量減少采用一字形的短肢剪力墻，適當增設短肢剪力墻的翼緣。

5.4 短肢剪力墻洞設計的要點

注意要點如下：（1）要選好墻洞的位置，再根據科學的標準設計洞口。一般將墻洞分成排狀或者列狀，然后確定梁柱和墻支的具體位置，這個過程要注意到墻洞間距的距離設計，間距過大過小都不宜，應根據具體設計情況來選擇。（2）在對洞口實現疊合后，要對疊合錯開的位置和距離重新審視，避免因為洞口疊合而出現不規則或者其他復雜的情況。尤其要注意避免在選定的洞口位置設置剪力墻，如果因為空間結構原因必須要設計的話，應該選擇輕質材料進行有效補救。加大對洞口周圍情況的監察力度，保證剪力墻的設計更加規范。（3）將BIM模式引入剪力墻洞口設計環節，以先進的技術模式減少不規范現象的發生。

6 短肢剪力墻在高層建筑設計中的應用策略

6.1 選擇科學的參數計算方式

短肢剪力墻應用設計需要以很多參數和數據作為支撐，為了保證參數和數值的正確性，可以結合現代信息技術，通過三維演算方式進行全面系統的分析和運算，也可以通過運用多種運算軟件來進行參值的分析對比，比如，可以運用PKPM中SATWE模塊或者其他軟件同時計算，然后對比結果，計算出科學合理的數據參數。

6.2 加強對短肢剪力墻抗震功能的研究

短肢剪力墻抗震性能弱一直是其在高層建筑設計應用中的薄弱點，主要體現在建筑物邊緣上短墻肢的設計，因此，對短肢剪力墻的抗震性能需要加深研究。尤其對一字形短肢剪力墻，要側重研究連梁的延展性抗震構造，可以通過適當增加墻體厚度，如，選取250 mm的厚度參數，或者底部加強選取300 mm的厚度等方式。另外，增加剪力墻結構中的鋼筋數量，降低軸壓比，緩解水平受力，防止受力不均導致墻肢破裂。

6.3 合理控制軸壓比

軸壓比的控制主要是針對一字形短肢剪力墻的端柱和無翼緣設計，據相關數據顯示，當剪力墻承受較小壓力時，其相應的延展性就會降低，如果承受較大的壓力，混凝土會由于軸壓值過大再加上融合多種因素影響，會達到極限壓應變，從而嚴重削弱高層建筑本身的承載能力和變形能力，因此，必須注重高層建筑結構設計中短肢剪力墻的軸壓比。以抗震等級二級為例，為了保證短肢剪力墻的抗震性能，軸壓比一般要小于0.6；如果是一字形結構的短肢剪力墻，則軸壓比要小于0.5。

7 結語

雖然短肢剪力墻在高層建筑結構設計中應用已經普及，但在具體應用中仍存在困難和問題，這就需要建筑設計師不斷更新學習設計理念，結合現代科學技術、信息手段計算出更加精準的參數數值，繪制出更可靠的施工圖紙。挖掘問題，并尋找方案，逐步使短肢剪力墻在高層建筑設計結構中發揮應有盡有的作用，彌補抗震性能弱的缺點。