高层建筑剪力墙结构优化设计探讨

张文涛

(山西华鼎建筑设计有限公司，山西省 太原市 030032)

高层建筑剪力墙结构优化设计探讨

张文涛

(山西华鼎建筑设计有限公司，山西省 太原市 030032)

剪力墙也可以称为抗风墙、抗震墙或结构墙，是房屋或构筑物中主要承受风载荷或地震作用引起的水平荷载和竖向荷载的墙体，能够有效的防止结构剪切破坏。在高层建筑中，剪力墙的作用更加重要，本文对高层建筑剪力墙结构及其概念设计的重要性进行分析，在剪力墙结构的设计和计算方面的优化设计进行探讨。

高层建筑；剪力墙结构；优化设计

引言

随着我国城市化的发展，我国城市的发展方向除了在水平方向上不断发展之外，也加强了在垂直高度上的发展，使得高层建筑得到了相应的关注。为了保证高层建筑的结构性能，有效的避免地震以风力等方面的因素对建筑物结构的影响，加上相关单位对高层建筑剪力墙的经济性方面的要求，需要对高层建筑剪力墙结构进行一定的优化设计。

一、高层建筑剪力墙结构及其概念设计

关于高层建筑，总体上是指超过一定层数或高度的建筑就可以成为高层建筑。在我国，规定了30层左右接近100米的称为高层建筑，而在新《高规》中将10层及10层以上的高度超过28米的钢筋混凝土结构称为高层建筑结构。

高层建筑是城市的生产和消费发展到一定程度之后的必然产物，通过高层建筑首先能够带来一定的社会经济效益，其次还能在建筑内部的联系、建筑用地、市政建设投资和建筑工期等方面具有一定的优势。虽然如此，但是高层建筑也存在一定的缺点，主要是在受到地震或者风力等方面的影响之后对建筑本身的结构有着更高的要求，需要在保证一定刚度的基础上防止建筑物过度的震动和发生水平方向上的位移，从而保证建筑物内部的装饰以及其他结构等方面保持稳定，使得建筑物内部具有一个较为长期的舒适的生活环境。

在受到地震带来的垂直方向以及风力带来的水平方向的载荷时，低层建筑会产生较小的内力和位移，对整体的结构性能基本上没有影响，但是对于高层建筑来说则会带来很大的变数，使得高层建筑对结构的稳定性的要求更大。建筑物高度增加之后，在受到相同的力之后产生的位移会最快发生变化，然后弯矩也会相应的发生变化。除了应该保证高层建筑物结构的承载能力之外，还应该对结构的水平方向上的刚度进行要求，从而使得结构在受到水平载荷之后发生承受范围之内的变形。

在建筑结构中剪力墙结构很重要，主要是其能够在水平和竖直方向上都具有一定的承受能力。在剪力墙结构的整体上来说，其不但能够通过较大的侧向刚度来减小水平作用下的位移，还能通过剪力墙结构本身的外形特点来增加建筑物内部的布置。当然剪力墙结构也有一定的缺点，主要是在较大空间的房屋及结构的延性两个方面不是很完善。但是当需要进行较大内部空间设计的时候，可以通过部分框支剪力墙来充当剪力墙结构的功能。

为了保证建筑物结构在水平和垂直方向上的承受能力，在建设高层建筑的时候，会对建筑物内部结构的空间大小有着一定的要求，而对于较大空间的建筑需要在另外的建筑单元中进行建设。对于矩形平面的剪力墙结构，需要在纵横两个方向上进行同时的设置；对于圆形平面的剪力墙结构，应该在完成对从圆心出发的半径及外环方向上的设置；而对于三角形平面的剪力墙结构，应该沿着三个边的方向来完成剪力墙的设置。

二、剪力墙结构设计和计算的优化

（一）剪力墙结构设计的优化

首先，剪力墙设置方向上应该尽量的沿着主轴的方向完成双向的设置，其他方向也应该如此，这样能够保证空间结构的完整性；对于避震用的剪力墙结构，应该尽量的防止出现剪力墙的单向布置，而在不同的受力方向上的抗侧刚度的大小上也应该尽量的相等，这样能够使得建筑内部空间结构工作性能的稳定性得到相应的保证。在保证剪力墙结构的抗侧刚度以及承载力上的条件之后，可以对剪力墙的结构进行设计，尽量的减小其结构的重量，从而增加建筑内部结构的可操作空间。

其次，对于剪力墙墙肢的截面来说，应该尽量保证其简单和规则。为了保证剪力墙结构在竖向上的刚度及应力的规则，需要保证剪力墙在门窗等位置上对齐的进行布置，能够使得结构设计的简单和安全。对于墙肢上刚度相差较大的洞口，需要将墙内的钢筋设置成一定的框架模式来应对可能出现的错洞或者叠合错洞的情况。

对于出现的较长的剪力墙，为了对齐结构的刚性进行保证，防止出现以为脆性出现的结构的剪切破坏，应该在合适的位置开设洞口，保证分开的墙体的高度在截面长度的两倍之上，并且需要利用弱连梁进行连接。

在剪力墙平面外的稳定性方面，因为剪力墙在平面内外上的刚度和承重能力上的不同，应该通过设计平面外的弯矩来对剪力墙平面外的稳定性进行保证。当出现剪力墙平面外的楼面与剪力墙墙肢的连接时，应该采取适当的措施来对连接部分弯矩对墙的影响进行控制。

总的来说，对剪力墙进行设计的时候，首先应该进行结构分析，保证不同方面各项指标的前提下来对剪力墙的厚度进行确定，另外，不同抗震等级轴压比以及剪力墙结构稳定性等方面的要求也应该进行充分的考虑。

（二）剪力墙结构计算的优化

在剪力墙结构设计的时候，应该对结构的合理性进行考察分析，比如在剪力墙结构刚度适宜的情况下，应该对规范规定的楼层最小剪力系数进行计算来保证楼层最大层间位移与层高之比的规范性；在对偶然偏心影响的地震作用下进行分析之后，应该对楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移进行计算，保证A级高度高层建筑基本保持在楼层高度平均值的1.2倍之内，当超过1.2倍时，也绝对不能超过楼层高度平均值的1.5倍等等。

对于楼层最小剪力系数的调整，短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩应该在结构的总力矩的百分之四十以下，在此基础上应该合理的对剪力墙进行设置，设计合理的剪力墙设置方案，保证剪力墙侧向刚度的合理性，在楼层最小剪力系数上也应该控制在一定的范围内，通过这样的设计能够使得剪力墙结构的自重降低，进而对地震作用有着一定的抑制作用，同时还能节省一定的施工成本。

对于楼层最大层间最大位移与层高之比的调整，在进行多地震作用的楼层的最大层间位移的计算时，要注意楼间弯曲变形，对于整体结构弯曲变形可以不进行扣除。所以要保证高层建筑的扭转变形控制在最小的范围内，在对层间位移进行充分的分析之后在进行竖向构件刚度的改变。但是有的设计人员会通过增加某一方向上的侧向刚度来保证该方向上的层间位移上的要求，但是这样的设计会使得结构的剪重比难以控制。除此之外，还应该对结构扭转为主和结构平动为主的第一自振周期之比以及连梁超限等方面进行调整，从而更好的保证高层建筑剪力墙结构设计的最优化。

结语

虽然我国颁布的相关规程规范对建筑物剪力墙的相关标准进行了一定的规范，但是内容不够具体。在实际的工程设计时，项目设计阶段有着很重要的作用，会对项目的施工质量和施工成本有着一定的影响，但是在设计阶段会因为项目的复杂性，使得设计人员不能很好的在各个方面进行最好的设计，所以存在一定的可优化设计空间。通过剪力墙结构优化设计能够保增加建筑项目施工的可行度，还能够在能源方面做到节约。而通过剪力墙结构计算的优化能够在计算机技术的基础上完成对剪力墙结构的最佳计算，从而能够更好的保证结构的优化设计，从而对施工成本、施工质量和施工进度等方面进行很好的保障。

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1007-6344（2015）10-0127-01