高层建筑剪力墙结构设计要点探究

关俊伟

【摘要】随着城市化的进程不断加快，建筑行业也随之迅速发展，城市中的高楼大厦鳞次栉比，为缓解城市建筑的高密度，高层建筑越来越受欢迎。然而，对于高层建筑而言，建筑的稳定性和抗震性显得至关重要，这就对建筑结构的设计提出了更高的要求。剪力墙以其特有的抗震性被广泛应用于高层建筑的建设当中。剪力墙虽然有不可替代的优点，但如果结构设计不到位，或者没有达到标准要求，就会带来一些问题，从而导致剪力墙无法真正发挥其功能。本文首先介绍了剪力墙的相关知识，然后以工程为例分析了剪力墙的结构布置、设计要点等，希望能够为高层建筑的设计提供一些参考价值。

【关键词】高层建筑；剪力墙；结构设计

引言

剪力墙这种结构形式已经成为目前高层住宅结构形式的首选，剪力墙结构布置灵活，抗震性能好，容易满足各种使用功能的要求来增加使用中的舒适度。因此，作为结构设计人员要充分了解其受力原理，合理设计出安全、实用、经济的高层剪力墙结构。本文以高层建筑剪力墙结构设计要点探究为主题，从剪力墙的相关概念出发，重点研究高层建筑中剪力墙结构设计的要点，并结合相关案例分析说明。研究的目的在于通过对剪力墙的设计要点分析，使得建筑结构得到整体优化，从而促进高层建筑的安全性、经济性以及科学性。

一、剪力墙的相关知识

（1）剪力墙是用鋼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，并能有效控制结构的水平力，这种用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构称为剪力墙结构。它的空间结构由一系列纵向、横向剪力墙及梁、板等组成。

（2）剪力墙和其他的框架结构一样，既有其优点，也存在不足。由于现浇钢筋混凝土对水平地震荷载的承受，使得水平荷载对墙、柱产生一种水平的剪切力。为了与这种水平剪切力形成平衡，剪力墙结构由纵横方向的墙体支撑，从而形成抗侧向力的体系。这是剪力墙的最大优点。此外，剪力墙的刚度很大，而且空间的整体性好，从房间里无法看出梁、柱楞角，使得室内的布置更加容易，方便而实用，简单而美观。剪力墙结构还具有良好的抗震性能，这也是被广泛运用于高层建筑的原因之一。剪力墙的最大的不足就是结构自重大，另外剪力墙结构抗侧刚度大，会引起较大的地震反应；剪力墙墙体中轴压低，墙肢承载力发挥不足等。预应力剪力墙结构常常可以做出大的空间住宅布局，完全满足现代人对舒适宽阔的居住空间需求。既然剪力墙有其优缺点，就要求我们在设计中因势利导，趋利避害，使其发挥最大的功能性作用。

（3）剪力墙结构的设计原则：[1]剪力墙的布置应分布均匀，沿房屋纵横两个方向设置，使剪力墙刚度合理。剪力墙宜布置在房屋的端部附近、平面形状变化处、恒荷载较大处，在结构平面中部尽量减少剪力墙的布置，使剪力墙分布于建筑物周边，在较少的剪力墙情况下取得较大的刚度，结构的刚度中心和质量中心尽量接近。[2]剪力墙沿高度应均匀变化，在竖向布置上应贯通房屋全高，使结构上下刚度连续、均匀。[3]为了保证楼屋盖的侧向刚度，避免水平荷载作用下楼屋盖平面内弯曲变形，应控制剪力墙的最大间距。[4]剪力墙结构应具有延性，细高的剪力墙容易设计成具有延性的弯曲破坏剪力墙。当墙的长度很长时，可以通过开设洞口将长墙分成长度较小的墙段，使每个墙段成为高宽比大于3的独立墙肢或联肢墙，分段宜较均匀，通常墙段的长度不宜超过8m。[5]结构计算分析应满足最大层间位移、周期比、位移比、轴压比及墙体稳定性等方面的要求。

二、实例分析

（1）工程概况：以某住宅小区高层住宅设计为例，该建筑为地上33层和地下2层，地下两层为非机动车停车库，地上为住宅。地下室的层高均为3.5m，地上1～33层高为2.9m，地上建筑总高度为96m。该建筑物为剪力墙结构，抗震设防类别为丙类，设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震第二组，场地土类别为Ⅲ类，特征周期为0.55s。

（2）结构选型：根据本建筑的使用功能和建筑高度选择其结构形式为剪力墙结构，基础采用桩筏基础。

（3）结构计算：本工程采用中国建筑科学研究院开发的PKPM系列高层建筑结构空间有限元分析软件SATWE进行计算分析。计算分析结构表明本工程的自振周期正常合理，平动周期为第一振动周期，扭转周期与第一平动周期之比为0.80，小于0.90，满足规范，振型曲线光滑连续，无突变。按弹性方法计算的风荷载或多遇地震标准值作用下的楼层层间最大水平位移与层高之比小于1/1000。在规定的水平力作用下，楼层的最大弹性水平位移（或层间位移），不大于该楼层两端最大弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍。计算结果显示本工程无平面不规则或竖向不规则的情况。剪力墙轴压比满足规范要求。

（4）剪力墙布置：剪力墙应在满足结构竖向及水平荷载的前提下尽可能地布置在隔墙位置，对剪力墙的数量进行控制，还要减少边缘构件数量，结构计算时满足剪力墙实现弯曲破坏的延性破坏模式。剪力墙的厚度按照《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010和《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010的规定选取后进行计算，根据墙体的稳定性和轴压比对所选取的墙厚进行调整。最终本工程地下室墙体均采用300mm厚，地上住宅部分采用200mm厚。

（5）混凝土强度等级的选择：本工程层高较低，剪力墙墙体稳定性均能满足规范要求。墙体的混凝土强度等级根据规范对剪力墙轴压比的限制选择。地下室剪力墙采用C35，1～6层为C40，7～12层为C35，7层以上为C30。由于住宅建筑房间开间小，平面分格多，梁板的混凝土强度等级在施工时不易于剪力墙区分，因此本工程梁板及楼梯的混凝土强度等级均同本楼层的剪力墙。

（6）高层建筑梁板布置：考虑到住宅建筑以实用性和舒适性为最基本的要求，梁设置时尽量布置于填充墙下面，避免房间内露梁，如果出现难以避免的情况尽量把梁凸出到卫生间或厨房等相对次要的房间。另一方面就是要注意房间净高的要求，在满足受力的前提下尽量保证房间净高以增加使用的舒适性。

三、剪力墙结构设计的构造要点

（1）剪力墙结构伸缩缝的最大间距：装配式建筑为65m，现浇式建筑为45m。当采用以下措施时可以适当增加伸缩缝的最大间距：[1]采取减小混凝土收缩或温度变化的措施；[2]采用专门的预加应力或曾配构造钢筋的措施；[3]采用低收缩混凝土材料，采用跳仓浇筑、后浇带、控制缝等施工方法，并加强施工养护。

（2）剪力墙结构的最大高度比：非抗震设计时为7，抗震设防烈度为6度和7度时为6、8度时为5、9度时为4。高层建筑的高宽比是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济合理性的宏觀控制。在结构设计计算满足规范规定的承载力、稳定、抗倾覆、变形和舒适度等基本要求后，仅从结构安全角度讲高宽比限值不是必须满足的，主要影响结构设计的经济性。

（3）剪力墙结构的防震缝：剪力墙结构的防震缝按照同高度的框架结构防震缝要求的50%取值，且不小于100mm。

（4）剪力墙底部加强部位的范围：[1]底部加强部位的高度应从地下室顶板算起；[2]底部加强部位的高度可取底部两层和墙体总高度的1/10二者较大值；[3]当结构计算嵌固端位于地下一层底板或以下时，底部加强部位宜延伸到计算嵌固端。

（5）轴压比限值：在重力荷载代表值作用下剪力墙墙肢轴压比限值分别为0.4（9度一级）、0.5（6、7、8度一级）、0.6（二、三级）。

4.6轴压比限值

一般剪力墙底部加强部位—三级抗震无规定、二级抗震0.6、一级抗震0.5或者是0.4。

四、结论

在实际的工程减值中，设计方只有把握住剪力墙结构设计的要点，才能真正设计出安全稳定的建筑物，从而保障居住者的生命安全，同时还可以最大程度地节约建筑工程的设计成本。

参考文献：

[1]陈耀. 高层建筑剪力墙结构优化设计分析探讨[J]. 福建建材，2011，04：36-37+39.

[2]王建栋，边红美. 某高层建筑框架混凝土剪力墙结构设计要点分析[J]. 商品混凝土，2013，05：81-82.

[3]冯运琴. 高层建筑剪力墙结构连梁设计中的问题[J]. 科技资讯，2013，18：59-60.

[4]曹彬，李铭. 高层建筑结构设计中剪力墙结构的要点分析[J]. 中国建筑金属结构，2013，22：65.

[5]王和平. 高层建筑剪力墙结构优化设计分析探讨[J]. 四川建材，2008，05：85-86.

[6]祝捷. 高层建筑结构设计中剪力墙结构的要点探讨[J]. 中华民居（下旬刊），2014，10：78.