高层建筑剪力墙结构设计优化探究

陈英鹏

（佳木斯市建筑设计研究院，黑龙江 佳木斯 154002）

1 剪力墙结构的优化设计

剪力墙结构一般承受水平力、竖向力的能力较大，横向刚度也大，可建造的建筑与框架结构相比层数更高、更多。因此，设计剪力墙时，应根据各型墙体的特点，并与实际的工程背景相结合，对高层剪力墙结构的优化进行认真研究是有必要的。对于结构专业来说，好的设计应该是技术合理、安全可靠且经济指标要优良。剪力墙布置数量、位置及其层数与抗震强度等是优化设计的重要内容。

1.1 结构布置

剪力墙尽可能布置在结构周边外围护墙位置，在结构中部宜减少剪力墙的布置量，且各墙肢布置时应考虑如何减少边缘构件获得满足规范要求的抗侧、抗扭刚度。在布置剪力墙时，应考虑剪力墙连续转折及小墙垛布置对边缘构件的影响，在水平力的作用下，可以按照悬臂构件来计算整体墙的截面弯矩和剪力，剪力墙的布置数量及其组合形式与结构总体刚度关系密切。

1.2 洞口设置

对于小开口的整体墙，因洞口的影响，墙肢间不是直线应力分布，但偏离不大，在整体墙计算方法的基础上可加以修正，在对抗震设计时，尽可能避免在洞口与墙边或两个洞口之间形成墙肢截面高度与厚度的比要小于4 的小墙肢。

1.3 剪力墙的构造措施

剪力墙的特点是平面外刚度及承载力相对很小，而平面内刚度及承重力大，因此剪力墙平面外的弯矩应有所控制；抗震墙结构应当满足墙肢轴压比限值界线值时可按规定设置构造边缘构件，一般剪力墙墙体配筋要求是水平钢筋放在外侧，竖向钢筋放在内侧；剪力墙顶部设置暗梁，以便连梁、框架梁纵筋及剪力墙竖向钢筋锚固，按构造要求配置纵筋和箍筋。

1.4 剪力墙结构方案的选择

在结构优化设计中，方案阶段的优化影响大约占到百分之七十，由此看来，在方案阶段应考虑结构形式的合理性与经济性，并使建筑功能与结构布置结合，对工程实施的顺利进行是有着重要作用的。合适的结构体系的选择，在方案阶段可以控制总体成本，对于层数较小的高层住宅（比如在20层以下），可采用短肢剪力墙结构体系，若20层以下的高层住宅采用现浇剪力墙结构设计，因各墙肢轴压比较小，墙体配筋为构造配筋，墙体承载能力就不能发挥出来，工程费用也相对有所提高，解决以上不足之处可采用短肢剪力墙结构；超过20层的建筑物结构最好还是采用传统的现浇剪力墙，如若采用短肢剪力墙体系，结构就会较柔，结构顶点位移和层间位移规范要求就不一定能够得到满足，底部剪力系数也偏低，就会造成不安全的结构。有时在采用传统的现浇剪力墙结构时，结构的刚度过大可以采用在墙肢上开孔，或者将窗台改成砖砌结构等措施进行调整。

2 剪力墙结构设计计算的原则

剪力墙结构刚度大，整体性好，水平荷载作用下侧向变形也小，剪力墙的设计计算是考虑水平和竖向作用下进行结构整体分析，梁进行框架剪力墙调整与不调整两次计算，有选择的进行配筋设计。剪力墙连梁的跨高比不应小于2.5，否则很容易出现剪力和弯矩超过规范限值，调整后的连梁弯矩、剪力设计值不应低于使用状况值，也不应低于比设防烈度低一度的地震组合所得的弯矩设计值，否则会造成危险；剪切变形的控制以竖向构件的多少来决定，高层建筑应尽量减少扭转变形，但也不能只根据这些层间位移而不加分析地盲目增加竖向构件的刚度，在工程实际设计中，可能有些设计人员一看到某一方向层间位移的规范要求不能满足，就会不断地增加该项的侧向刚度；楼板在自身平面内的刚度可视为无限大，而在平面外的刚度很小，可以忽略；根据结构类型与受力情况，对剪力墙两端及洞口两侧的加强边缘，按墙肢在重力荷载代表值作用下墙肢轴压比的界线及加强部位要求可分为约束边缘构件和构造进行设计。在实际工程设计中，应将结构竖向构件尽可能沿建筑周边布置，降低结构中间构件的刚度，这样不但可提高结构的侧向刚度，也能够大幅度提高结构的整体刚度；隔墙尽可能采用轻质墙体，以减轻荷载，较小地震作用，减低基础造价，高层或超高层剪力墙结构楼层连梁及框架梁内力及配筋随高度的变化较大，因此建议适当选择合并楼层数，这样可以节约用钢量。

3 高层建筑剪力墙结构设计优化其它措施

3.1 施工过程应注意的问题

在框架结构中框架梁及与框架柱相连的其他结构构件的受力筋都要锚入框架柱内并满足锚固长度；在一定条件下抗震墙本身可以具有较好的延性和耗能能力，但是这种延性和耗能能力需要靠剪力墙自身分布钢筋的合理配置才能实现；施工过程设置边缘构件目的是增加结构的延性和耗能能力以提高结构的抗震性能。

3.2 控制建筑结构成本的措施

暗柱、梁、板采用高强钢筋，以减少计算配筋量，墙体荷载可以扣除，明确建筑使用功能以确定活荷载，去掉不必要的荷载。配筋应以满足计算及规范建议的最小配筋率就可以，但是地下部分的墙体配筋应通过计算确定，框架和剪力墙共同承担外部荷载时，二者间为保持变形协调还存有相互的作用。

3.3 连梁优化设计

经过调整后的连梁应确保其弯矩、剪力设计值应不小于使用阶段实际值，也不应低于设防烈度低一度的地震组合所得的弯矩设计值，以防止在正常使用时而产生裂缝，影响结构安全。对于转换层结构设计，其本身的刚度与质量不宜过大，一般可通过水平力作用下精确的空间分析来检查转换层附近的层间位移角是否基本均匀。

4 结语

高层剪力墙结构设计时应关注设计优化，通过调整概念设计理论、结构设计、结构计算设计原则及一系列合理的技术措施，才能保证高层建筑的安全、经济，满足全民的住房需求。

[1]李勇军，王燕.带缝剪力墙的非线性分析[J].山西建筑，2008，(35).

[2]GB50011-2010，建筑抗震设计规范[M].中国建筑工业出版社，2010.

[3]吕瑞孝，姜剑虹.高层建筑剪力墙结构设计需关注的要点[J].科技信息，2011，(19).