超高层建筑剪力墙设计与研究

李佳楠 罗俊 代山 向晖

摘要：随着社会和经济不断发展，城市人口密度的持续增加，高层建筑的高度和规模也在不断增加，它不仅反映一个国家科学技术水平，而且也反映一个国家精神文明、物质文明和经济发展程度和水平。剪力墙结构作为一种主要高层建筑结构体系，它在现代高层建筑中的应用十分广泛，因此对高层建筑剪力墙设计的研究具有一定的理论和实践意义。

关键词：超高层建筑 剪力墙设计

中图分类号：TU208文献标识码： A

一、超高层建筑定义

1972年8月在美国宾夕法尼亚洲的伯利恒市召开的国际高层建筑会议上，专门讨论并提出高层建筑的分类和定义。超高层建筑(Ultra High-rise Building)指40层以上，高度100m以上的建筑物。

我国《民用建筑设计通则》GB50352-2005规定:建筑高度超过100米时，不论住宅及公共建筑均为超高层建筑。

二、钢筋混凝土剪力墙分类

20世纪60年代开始，剪力墙结构开始得到应用。由于其抗侧移刚度大，能够有效减小侧移，具有较好的抗震性能。随着滑模、大模板等新施工工艺的采用而逐渐成为现代高层建筑中广泛采用的一种结构形式。采用剪力墙结构的高层住宅约占高层住宅的90%左右。目前世界上最高的建筑—位于迪拜828m高的哈利法塔，在601 m标高以下主要采用了钢筋混凝土剪力墙结构。

钢筋混凝土剪力墙根据墙体有无洞口、开洞大小及排列方式可分为整体墙、小开口整体墙、联肢墙、壁式框架，根据墙体的高宽比可分为高剪力墙与低矮剪力墙，根据有无竖缝及配筋方式分为普通配筋、交叉配筋及带暗支撑剪力墙。超高层建筑中常见的钢筋混凝土剪力墙如图1所示。

图1钢筋混凝上剪力墙

由于剪力墙刚度大，在风荷载与多遇地震下能够满足结构抗侧力的要求。在罕遇地震作用下，地震能量巨大，地面加速度峰值很大。历次震害表明，结构破坏主要是由于构件承受力显著降低、变形过大引起的，剪力墙的抗震性能一直受到高度关注。

三、剪力墙的一般布置原则

《高规》中7.1.1规定，剪力墙结构应具有适宜的侧向刚度，其布置应符合下列规定:

1）平面布置宜简单、规则，宜沿两个主轴方向或其他方向双向布置，两个方向的侧向刚度不宜相差过大，抗震设计时，不应采用仅单向有墙的结构布置。

2)宜自上而下连续布置，避免刚度突变。

3)门窗洞口宜上下对齐、成列布置，形成明确的墙肢和连梁;宜避免造成墙肢宽度相差悬殊的洞口设置;抗震设计时，一、二、三、级剪力墙的底部加强部位不宜采用上下洞口不对齐的错洞墙，全高均不宜采用洞口局部重叠的叠合错洞墙。

剪力墙结构是指利用房屋墙体作为水平抗侧力和竖向承重的结构，在该结构体系中，墙体同时可作为维护及分隔构件。目前，我国大多采用现浇剪力墙结构，它的整体性好且抗侧刚度大，在水平荷载作用下侧移小，容易满足承载力的要求，在室内形成平整的墙面，没有露梁露柱现象，住宅和旅馆客房具有开间较小、墙体较多、房间面积不大的特点，采用剪力墙结构比较合适。由于其具有良好的抗震性能，高层建筑中大多采用现浇剪力墙结构，我们给出如下剪力墙的一般布置原则:

1)剪力墙是承受水平荷载和竖向荷载的主要受力构件，因此其应沿结构的主要轴线进行布置，尤其是在抗震设计的剪力墙结构中，应避免仅单向有墙。一般平面为矩形、T形、L形时，剪力墙应沿两个方向布置;当平面为三角形、Y形时，剪力墙可沿三个方向布置;当平面为多边形、圆形、弧形时，剪力墙可沿环向和径向布置。

2)剪力墙布置应尽量比较规则，且应拉通对直，当有转折或稍有错开时，可按一道墙来考虑。

3)剪力墙宜从下到上连续布置，不宜突然取消或中断，以避免刚度突变。为减少刚度突变，可减少部分墙肢或沿高度方向改变混凝土等级或墙厚，沿高度逐渐减小剪力墙的抗侧刚度。结构顶层部分剪力墙被取消以形成顶部大房间时，应加强延伸到顶的剪力墙。

4)剪力墙应尽可能设置翼缘，尽量避免形成一字墙，且高层建筑中不应全采用短肢剪力墙，若短肢剪力墙较多时，可布置成一般剪力墙或筒体，形成共同抵抗水平作用的剪力墙结构。

5)剪力墙结构应具有较好的延性，细高的剪力墙容易设计成弯曲破坏的延性剪力墙，为避免产生脆性的剪切破坏，不宜设置墙段的长度超过8m、高宽比小于2的剪力墙，当墙肢很长时，可通过开设洞口将长墙分成长度较小、较为均匀的若干墙段。每个墙段可看着是整体墙或者是用弱连梁连接的联肢墙。

6)剪力墙平面内刚度及承载力大，而平面外刚度及承载力相对很小。当剪力墙与平面外方向的梁连接时，会造成墙肢平面外弯矩，因此在沿梁轴线的方向设置与梁相连的剪力墙，或在梁与墙的相交处设置扶壁柱、暗柱等，以抵抗墙肢平面外弯矩。

四、超高层钢筋混凝土剪力墙体

尽管迄今为止各种新型剪力墙的相关研究成果非常丰富，但在超高层建筑中得到应用最为普遍的仍然是现浇钢筋混凝土剪力墙。随着理论研究与计算分析工具的不断进步，早期主要用于简化计算的构件分类方法与连续化假定、薄壁柱单元等较为粗糙的计算模型己不再具有实际意义，高精度板壳单元在大型结构分析软件中的成功应用，使得计算模型与实际结构的差异逐渐缩小。

超高层建筑核心筒墙体厚度较大，为了保证结构在地震作用下具有较好的延性，需要对剪力墙的轴压比进行严格控制，轴压比越小，延性越好。一般说来，核心筒外墙厚度较大，内墙厚度较小。较大的外筒墙厚便于与大跨度楼面梁、伸臂析架等构件连接构造的实现。内墙小墙肢较多，分担重力荷载较小，当楼层高度较大、横墙问距较远时，还应进行墙肢的面外稳定性验算。

剪力墙的水平分布筋起抗剪作用，以防止墙体在刹裂缝出现后发生脆性剪切破坏，同时起到抵抗混凝土温度收缩应力、防止混凝土出现裂缝的作用，在刚度变化部位需要适当增加。剪力墙的竖向钢筋主要起抗弯作用，计算结果多为构造配筋率控制。应该注意防止过多放置竖向钢筋使得墙体的抗弯强度大于其抗剪强度，不利于结构的抗震性能。当墙体厚度较大，经常需要设置两排以上的水平与竖向分布钢筋。

剪力墙端部的暗柱分为约束边缘构件和构造边缘构件两种形式。边缘构件的纵向钢筋与箍筋的配筋率远高于墙肢的分布钢筋。当墙体厚度很大时，如果简单按照现行国家标准《混凝土结构设计规范》(CB50010-2002)中的条文确定边缘构件长度的话，将出现暗柱面积过大、钢筋用量显著增加的问题。此时需要根据具体情况，在保证结构抗震性能的前提下，对边缘构件的尺寸进行适当的折减。

由于超高层建筑结构的高宽比很大，在水平荷载作用下，墙体可能出现受拉情况，混凝土开裂将导致其抗剪承载力受到很大影响。此时，需要采取在其端部设置型钢等方式，改善其抗震性能，保证结构延性。

在超高层建筑设计中，核心筒剪力墙通常采用的抗震性能指标为:1)在小震时保持弹性;2)在中震时底部加强区、水平加强层及加强层上下各一层主要剪力墙墙肢承载力中震弹性，其他区域中震不屈服;3)在大震时满足截面剪压比控制条件，可以进入塑性，但底部加强区不屈服。

五、高强高性能混凝土与高强钢筋的应用

随着建筑高度的增加，结构自重不断增大，核心筒剪力墙厚度不断增大，在材料用量增大的同时，也占用了宝贵的建筑使用空问。随着混凝土材料科学的发展，高强与高性能混凝土、钢纤维增强混凝土也被应用到剪力墙中，使其力学性能发生很大改变，是剪力墙结构发展的一个重要方面。

高强混凝土由于具有耐久性好、强度高、变形小等优点，可以有效减小构件截面、增大建筑使用面积、降低工程造价、缩短施工工期，因此得到了越来越广泛的应用，技术经济效益显著。高强混凝土改变了早期钢结构在超高层建筑中占据统治地位的情况，1997年建成位于马来西亚吉隆坡的国家石油公司双塔大楼即采用了C80高强混凝土，新近建成位于香港九龙站的环球贸易广场采用了C90高强混凝土。将高强混凝土应用于超高层建筑，己经成为一种必然的发展趋势。

结语：

随着社会和经济的不断发展，高层建筑也得到迅速的发展，剪力墙结构是超高层建筑结构的一种主要结构形式，在大量工程结构中得到广泛的运用。 剪力墙结构体系由于自身的特点，它可以灵活布置，墙肢可长可短，它必将在超高层建筑中有着广阔的发展前景。

参考文献：

[1]范重，李波，范学伟.超高层建筑剪力墙短连梁有效配筋形式研究[J].建筑结构，2004 ,39 ( S1) :496-499

[2]沈蒲生.高层建筑结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社，2006.