分析在高层结构设计中剪力墙的有效应用

文/贺躲 湘潭规划建筑设计院 湖南湘潭 411100

现代高层工程的功能与用途正向着多元化趋势发展，设计者设计的高层工程，通常会考虑结构的受力结构模式，其设计的重点是高层结构传力系统。该系统对结构的空间形态有支护功能，其结构竖向所产生的荷载传输通过传力系统的剖面来呈现。此外，该传力系统也会影响高层结构的基本功能。因此，不同高层建筑的传力系统在结构规划中是按照其实际情况来处理的，而且进行科学计算，由此确定较为科学的结构传力系统与保障抗震设计的标准性。

1、剪力墙的种类

1.1 整截面墙

这主要指不开洞口与洞口面积比墙面小17%的剪力墙，它的受力状态类似竖向悬臂梁，截面外表正应力表现出直线布置，顺着墙肢高度方位上弯矩不仅不出现突变也不产生反弯点，变形曲线主要是弯曲型。

1.2 总体小开口墙

该种剪力墙主要指洞口顺着竖向成列分布，各列墙肢与连梁刚度较为均匀。洞口范围尽管比墙面大17%，但依旧是小面积开口的剪力墙，其受力性能能根据总体悬臂来思考[1]。并思考墙肢的局域弯矩，水平负荷作用形成的弯矩是由墙肢的轴力肩负的，墙体本身的弯矩较小，弯矩图存在突变，但几乎没有反弯点，截面外表正应力形同直线布置，变形曲线依旧是弯曲型。

1.3 联肢墙

这种剪力墙是指洞口呈竖向成列分布，且洞口大小大于墙面大小的17%，连梁刚度低于墙肢刚度的墙面。开有一列很大洞口的剪力墙是双肢墙。开了多列洞口偏大的剪力墙就是多肢墙。连梁可以很好的约束墙肢，墙体弯矩图存在突变，且具有反弯点，墙肢局域弯矩很大，整体截面外表正应力不再是直线布置，变形弯矩是弯曲型。

2、剪力墙结构规划时需注意的内容

2.1 管理轴压比

高层结构内的剪力墙对于轴压比有很高要求，特别是无翼缘与端柱的“一”字形短肢墙体。剪力墙结构在规划时，为保证其延性，需要严格管理轴压比，防止超出轴压比界限的剪力墙部件产生。另外，还要科学分布结构，避免产生局域剪力墙轴压比偏大现象。

2.2 提高剪力墙重要位置的抗震能力

高层工程结构外边线与角点的部位均处在应力较为集中的位置，当出现地震情况时，这些位置就会最早出现塑性区甚至受到损坏。因此，在规划剪力墙结构时，要全面思考角点处和结构外边产生的受力状况，而且要采用合理的方法提高剪力墙重要位置的抗震能力，将轴压比的界限降低，加大纵向配筋率，特别是很小的剪力墙结构抗震能力更需要引起关注。

2.3 科学计算连梁刚度的分布

在仿真计算结构模型数据时，要结合连梁邻边的墙肢承载地震力、所处的实际位置和三水准抗震起到的作用等要素，合理判别连梁在具体操作提供给建筑结构的刚度，由此科学设置连梁刚度的折减参数。保证仿真计算的模型数据和实际结构刚度及受力状况相统一，更为科学经济与满足实际。

当前，高层结构在发展阶段，人类对居住空间的应用功能也提出了更高的要求，由此对结构设计质量也有了越来越高的要求[2]。在应用剪力墙时，既能够灵活的分布，对长短与落地、转换并无较高要求，因此可以很好发挥出高层结构的应用功能。剪力墙拥有的抗震能力远远超过一般异形柱的墙面结构，适合高度为140米之内的高层结构。在设计时，要结合本身具有的特征，进一步加大剪力墙于高层建筑设计中的使用。

3、剪力墙结构设计中常见的问题

3.1 剪力墙数量设计不科学

剪力墙是高层结构模式，有些建筑单位为追求时尚、提升结构的美观性和提高建筑物的影响力，忽略了剪力墙结构的薄弱点，会大量采用短肢剪力墙，减少了一般剪力墙结构的设计和应用，尽管给高层结构建设工作下降了难度 ，也减少了成本，提升了高层结构的美观性，得到了多重效果的结构设计，但却造成高层结构的质量无法得到保证，在高层结构质检中，极易成为不达标的结构。

3.2 结构计算和分析不合理

当前，高层工程设计都依靠相关的科学技术，要求了解最基本的材料测试数据、结构总体的施工目标，采用科学软件来精准模式研究，设计出充满高水平的施工图纸，但是，当前存在结构计算不准确、研究软件选用不当等问题。例如，结构设计不清楚，缺少科学性，无法科学规划剪力墙结构的厚度与高度等，造成比例不合理，建设的高层结构总体稳固性不佳，抗震能力弱，无法在地震区域重建，影响到高层结构的发展和进步，而且，极可能隐藏安全故障，威胁到人民的生命安全。

4、高层结构规划中剪力墙的运用

4.1 配筋规划

剪力墙水平配筋能够有效防止墙体产生裂缝导致剪切损坏，还能够阻隔温度对砼造成的影响。在配筋规划时，对结构连梁与较为敏感的墙面必须适当的增多配筋量。针对长度很短且高度很矮的结构，就能够适当缩减布筋量。

剪力墙垂直配筋的根本作用在于防弯曲，在复层剪力墙构造中的配筋一般是清除墙体边缘的钢筋[3]。在配筋过程，竖直方向墙面配筋的距离不能超过300毫米。竖直方向上若配筋过多就会令墙体防弯曲能力超过抗剪性能，这样对结构的抗震是非常不利的。

4.2 边缘规划

一般情况下，槽型截面的墙体结构延性大于矩型截面的墙体。在设计计算过程，设计师能够适当加大剪力墙的截面边缘束缚力，由此不断提升剪力墙结构延性、墙面水平剪力作用和抗剪水平。另外，在建造设计中，应当在墙端处设置安装，并优化其截面信息，避免出现建筑故障。

4.3 墙面规划

因为剪力墙有很大的结构刚度，而且其受到温度的限制也很多，所以对结构的楼面及屋面的影响也很大。有时很长的剪力墙会出现变形甚至产生裂缝等情况。这主要是由于剪力墙的结构比较复杂，砼出现变形，且因为工程建设条件很难控制，极易导致剪力墙承受的拉应力不够，最后引发结构问题。

剪力墙结构较为复杂，当墙体出现裂缝时难以处理，形成的不良影响也很大；当前，我国大多数高层建筑为追赶时间而加班加点，这种速度造成结构质量降低。此外，在施工阶段，砼的应用量很大，加上强度的提升会令拉应力增大，造成裂缝问题的产生。而且，在建筑建设阶段要利用泵送处理时，一定要加大水泥应用量，由此降低粗骨料与骨料粒径的用量。砼配比与输送环节若处理不当，会导致结构出现收缩，这种结构极易形成裂缝。在规划剪力墙时，必须注重施工环节，防止产生结构问题。

4.4 大墙肢设计

在高层结构设计过程，剪力墙首先应具备延性，由此而宽高比低于2的剪力墙结构在设计时会变成具备延性、容易弯曲损坏的剪力墙，进而防止剪力墙出现脆性剪切破坏。当剪力墙长度很大时，为确保各墙段的宽高比均不低于2，能对长墙采取开洞分割，令长墙被均匀的划分成满足要求的单独墙段，这样产生的墙段很小，手腕所出现的裂缝宽度也很小，如此就可以确保墙体配筋起到很好的支撑功能[4]。在剪力墙规划中，当产生一些长度大于8米的大墙肢时，在计量整个结构的剪力时，通常均由这类大墙肢来承受这些应力，如此在出现强烈地震情况时，这类大墙肢最早受到损坏，那些很小的墙肢因为无足够的配筋来支护墙体，进而造成墙体受到毁坏。对于该种现象，在规划剪力墙结构时，结合具体情况开洞与计算开洞。

结语：

总之，经济的增长与技术的进步，为国内建筑事业的发展提供了良好的机会。唯有进一步提升工艺技术水平及质量，充分利用新的材料，方可适应建筑事业的发展及人类不断提升的住房要求。现如今，许多新技术及新材料在高层结构中得到了广泛应用，设计师要结合具体情况，在不同高层建筑规划中采用适当的剪力墙，在高层结构规划中充分发挥出剪力墙的作用，促使建筑事业的全面发展与人们生活质量的日益提升。