我高层建筑剪力墙结构优化设计分析

李丽娟

摘要：为保证高层建筑结构性能，有效避免地震以风力等方面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经济性方面要求，需对高层建筑剪力墙结构进行一定的优化设计。本文即详细阐述了高层建筑剪力墙结构优化设计的要点。

关键词：高层建筑；剪力墙；优化设计；配筋；连梁

一、剪力墙结构概念及结构能效

剪力墙结构是用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱，能承担各类荷载引起的内力，并有效控制结构水平力，这种用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力结构称为剪力墙结构。剪力墙结构应用于建筑时不仅要符合建筑物整体布局结构，还要满足建筑物平面布置，剪力墙结构在整体建筑中是个重要结构构件，是起到抗震、抗风以及传导荷载导致的剪力、轴力等结构构件，因此在整个建筑中剪力墙结构是重要承载体系；剪力墙是建筑物分隔墙和围护墙，因此墙体布局同时满足建筑平面布置，然而剪力墙间距有一定限制，故不可能开间太大，所以在使用剪力墙结构时通常采用混凝土结构作为楼层盖板，且通常采用平板，可不设置梁，这样可节约层高，提高空间利用率。这种结构在高层建筑中被广泛利用的另一原因是有很好承载能力，且有很好的整体性比框架结构有更好的抗侧力能力，因此可建造较高建筑物。

二、剪力墙结构设计基本原则

（1）构件设计要严格遵守肢长和厚度比值。由于剪力墙高度和宽度尺寸都有很大不同，要据几何特征和受力形态来计算肢长和厚度比值，据结果实施按柱设计或是按双向受压构件设计。

（2）既要满足刚度要求又要具有很强变形性能和延性。此结构墙体会承担来自建筑多方向压力，剪力墙结构若想有效而综合处理这些方向压力就须采用延性弯曲型剪力墙结构，这样能有效综合各方压力，从而提高墙体刚性和抗震性能。

（3）剪力墙在设计时候要尽量避免平面外搭接，实在避免不了时应按规范采取相应措施，以保证剪力墙平面外安全。

三、高层建筑剪力墙结构优化设计

（一）高层剪力墙结构布置要求

因剪力墙结构在整体建筑中起到抗震、抗风以及传导荷载力导致的剪力、轴力等的结构构件，且剪力墙结构还是建筑物隔离墙，所以剪力墙结构大多数是顺着主轴线布置。剪力墙结构具有较强抗脆性和延性变形、弯曲延性，设计师在设计剪力墙结构时，剪力墙要具有相对较大高度与宽度，但剪力墙厚度要较小一点，这也符合剪力墙特征。对剪力墙结构墙布置应在“周边、对称、成对”前提下，尽可能减少墙肢片数量和暗柱数量。

（二）加强剪力墙结构均衡设计

高层剪力墙结构均衡设计需工作人员使用合理对策，促进剪力墙结构受力平均，不仅可提高工程安全性能和结构合理，且还可节约高层建筑造价成本。剪力墙结构的合理设计需工作人员依据建筑物平面布局状况来实现，设计人员分析各种情况，得出剪力墙结构优化设计方案，这包括设计人员依据施工场地现状，设计出科学合理剪力墙结构，在设计人员设计好剪力墙结构方案同时要制定出符合设计要求的管理条例，加强对剪力墙结构检查和监督，增强施工人员安全意识和管理团队科学管理水平，保证施工人员严格按照设计方案和施工图纸进行施工，保障施工质量，特别是剪力墙结构质量。

（三）剪力墙结构厚度

对剪力墙厚度，相关抗震建筑规定有着较明确数据规定，因此高层建筑剪力墙结构在设计时须严格按照这些数据规定进行。例如5～15层的剪力墙结构，一般墙肢在重力荷载代表值作用下轴压比都<0.2，电算结果墙体常只需构造配筋，但只因底部功能要求3.9m层高，墙厚就得240mm，若业主要求室内视野开阔，不设外纵墙，横墙朝外端头不允许带翼墙或端柱时，当层高3>5～4.2m时，則墙厚需要320mm～350mm，显然不合理。故像这样特殊情况的高层建筑应通过采用概念设计分析，控制墙肢轴压比，进行墙体截面条件、强度和稳定性验算并在构造上适当加强暗柱或配筋，确保整体连结从而减小墙的厚度。

（四）剪力墙结构墙体配筋优化设计

关于墙体配筋在剪力墙结构中的优化设计，第一步要选择优质材料，其中钢筋材料选择是重中之重，选择质优钢筋需检查钢筋各种合格证明，这是钢筋进场前的首要工作，符合要求的钢筋才可进入施工场地，剪力墙结构墙体配筋大多数需把垂直钢筋安置在里面，水平钢筋安置在外面。这是因地底下墙体配筋相对于其他部分较多，且地下水压和土压造成压力较强，剪力墙结构配筋通常符合建议标准和工程测算的最小配筋率即可。依据实际现状制定剪力墙优化设计能较好减少投资成本。对剪力墙厚度选择尤为重要，不必特意把最小厚度定为200mm，在满足结构计算要求前提下也可采用180mm或160mm剪力墙。

（五）剪力墙结构连梁的优化设计

相关剪力墙结构标准中明确提出，如连梁的跨高比大于5的时，就需按照框架梁要求展开设计，这也就是表示，跨高比大于5的连梁，其刚度不可减少，然而当连梁跨高比在5～6时，一旦刚度不减少，很有可能造成剪力过大的情况，使得建设工程成本增加，浪费资源。解决方法就是使跨高比大于6，这样就可明显减少钢筋与混凝土使用量，有效减少投资成本。

（六）层间位移比和最大位移的优化设计

依据规定，在核算常遇地震作用标准值造成楼层最大的弹性层间位移时，把以高层变形建筑物排除以外，大多数不扣除整个结构的弯矩变形，同时算入扭转变形。所以，以高层建筑为例，首要任务是制止楼层间和剪切变形。据制约的垂直构件数量可制约剪切变形，一旦单数构件布置的不科学，一样能产生很大的扭转变形，所以，高层建筑需最大可能减少扭转变形，不可随意增设构件刚度。

（七）剪力墙结构计算的优化

在剪力墙结构设计时，应对结构合理性进行考察分析，比如在剪力墙结构刚度适宜情况下，应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；在对偶然偏心影响地震作用下进行分析后，应对楼层竖向构件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

综上，建筑企业若想在未来的建筑行业竞争中获取更多的主动权，就必须加强对建筑结构设计的重视。高层建筑剪力墙结构设计对整个高层建筑项目的施工质量保证具有关键性作用，必须重视对设计技术的研究和不断探索。

参考文献

[1]谢向鹏，李献军，高菊芳. 试析高层建筑剪力墙结构优化设计[J].中国建筑金属结构.2013（24）

[2]陈耀. 高层建筑剪力墙结构优化设计分析探讨[J].福建建材.2011（04）