高层建筑结构设计特点与剪力墙设计

马德宁

摘要：随着城镇化脚步的加快，大批高层建筑不断的涌现出来。作为高层建筑结构设计人员，必须充分了解和掌握高层建筑结构设计特点及其剪力墙结构设计要点，才能使设计达到工程施工要求。高层建筑整体结构设计要遵循四点基本原则，即技术合理、先进、经济适用、安全施工、保证质量。

关键词：关键词：高层建筑；结构设计；特点；剪力墙设计

1 高层建筑的结构设计原则及机构体系

高层建筑结构设计应该充分利用新工艺、新材料和新技术，完全与设备、施工及建筑紧密联系，使建筑物经济合理、安全实用。高层建筑结构设计应加强构造和结构选型，优先选择抗风及抗震性能好，并且经济合理的结构体系与平、立面布置方案，并注意做好构造连接。目前，我国的高层建筑物普遍采用钢筋混凝土结构。一般有筒体结构、剪力墙结构、框架结构和框架-剪力墙结构等几种结构体系。

2 高层建筑结构设计特点

高层建筑结构设计占有非常重要位置，不同结构体系，直接影响到建筑平面布置、立面形态、机电管道铺设、楼层高度、施工技术、施工周期、以及投资成本等。高层建筑结构设计主要有以下特点。

2.1 水平荷载是建筑结构设计决定因素

水平荷载是指建筑物受水平方向作用力风荷载和地震作用，施加在工程结构上，使建筑物产生内力和变形。高层建筑自重和楼面使用荷载会在竖构件中引起弯矩和轴力，而其数值仅和建筑物高度的一次方成正比。对特定高度建筑物来讲，虽然竖向荷载基本上是定值，并对整体结构设计起到重要影响[1]。但水平载荷对建筑物结构产生的倾覆力矩，和对竖构件产生的轴力，和建筑物高度的二次方成正比。因此，水平荷载成为建筑结构设计决定因素。

2.2 侧移和轴向变形是建筑结构设计重点控制指标

建筑物高度不断向上增加，水平荷载结构会使侧移变形增大，且速度非常快。因此，和低层建筑不同，结构侧移问题是高层建筑结构设计中必须要考虑到的控制因素。水平荷载结构下，侧移应被控制在合理范围之内；若高层建筑采用框架――剪力墙结构，框架边柱轴压应力通常小于中柱，其变形程度自然小于中柱[2]。当建筑物上升到一定高度时，轴向变形会达到较大数值。若不控制好轴向变形，将会给建筑物未来使用带来巨大影响。

2.3 抗震要求更高

目前，我国多数高层建筑基本抗震要求为“小震不坏、中震可修、大震不倒”。在进行结构设计时，除了竖向荷载、风荷载正常使用指标要合理设计外，还应从概念设计、抗震验算和构造措施等三方面充分考虑进去，将“抗震”和“消震”充分结合起来，建立双重指标与方法（地震力与结构延伸性相互影响），通过一系列结构措施达到减震效果。当建筑结构进入到弹塑性阶段后，局部构件会出现开裂，严重时对整体结构造成破坏，常规计算原理和方法很难对此进行衡量分析。因此，高层建筑在设计时对抗震要求越来越高。

3 高层建筑剪力墙结构设计

剪力墙，通常称为是抗风墙、结构墙，或者抗震墙等，在高中建筑结构中所起的作用是承受因风荷载、地震作用造成的水平荷，对于防范建筑结构剪切破坏，具有非常重要的作用。

作为高层建筑设计中必不可少的一部分，其对整个高层建筑结构的稳定性、承载能力等，具有非常重要维护作用。

3.1抗震设计

研究表明，之所以高层建筑结构中的剪力墙会在每次地震过程中受到较为严重的破坏，主要是因为高层建筑剪力墙结构底层位置、上部之间的刚度存在着一定的差距，而且刚度数据悬殊比较大，地震发生时其作用力主要集中在底层位置，造成底层出现了非常明显的弹塑性集中变形问题。对于高层建筑结构的剪力墙结构来说，底层与上部之间的刚度比，需要进行非常严格的有效控制。因不同区域的抗震设防烈度存在着一定的差异性，所以在高层建筑结构剪力墙结构设计过程中，应当对抗震进行区别对待，以确保其合理性和经济性。

3.2连梁设计

对于剪力墙连梁而言，尤其在高垮比分类层面上，包括小于、大于2.5两种类型，而且均明确对截面配筋、受剪承载力做出了明确的规范和要求。同时，可采用以下方式进行塑性调幅：

第一，内力计算过程中，应当对连梁刚度进行拆减；第二，内力计算完成后，连梁弯矩与剪力组合值应当乘拆减系数。在此过程中需要强调的是，上述两种方法在应用过程中，均需确定剪力、弯矩设计数值，而且均匀比调整值要小一些。弯矩设计过程中，应当注意比设防烈度低一度地震组合设计，这对实现防治裂缝病害，确保高层建筑结构的安全性，具有非常重要的作用。

3.3长肢墙设计

在设计高层建筑结构剪力墙时，应当对其展延性加强重视，尤其要对呈高细形状的剪力墙，需注意其展延性和、弯曲破坏性等，以此来有效避免出现脆性剪切破坏问题。墙肢长度相对较长时，为有效满足各墙段高宽比要求，建议采取开洞方法将长墙人为地分割成小而均匀、相对比较独立的墙段。当墙段自身的长度相对较小时，在受弯情况下出现的裂缝宽度也相对比较小一些，此时可充分地发挥出剪力墙墙体配筋之作用。对于高層建筑剪力墙结构而言，其中存在着一些长度八米左右的长墙肢，理论层面上通过计算剪力大小，可确定剪力墙自身的长墙肢。发生地震时，尤其在强震发展过程中，长墙肢容易遭受破坏或者影响，而短墙肢会因配筋不足，导致整个墙面的构遭受破坏或者影响。

3.4转换层结构设计

转换层结构设计过程中，应当合理选择高层建筑结构转换层的上部、下部结构刚度，通常剪力墙转换层的自身刚度相对较大，不仅会影响竖向上的刚度，而且会影响建筑施工材料的实际应用量。若剪力墙结构转换层自身的刚度太小，则可能会导致沉降差问题，导致较为明显的次应力在其上部位置与水平位置之间出现。从而榀跨度直线型钢筋混凝土桁架比较情况来看，屋面两端采用框架柱为端杆较为合适，而且对屋面相邻跨处理所起的作用非常的明显；腹杆立杆通常以3.9米间距为宜，腹杆斜杆布设时，应当尽可能的减小下弦杆截面面积，以充分发挥桁架自身的整体性特点和作用。基于对高层建筑结构的功能要求考虑，避让建筑通道，给专业管道留出一定的空间，这也是转换层设计的要点。

4 结论

虽然很多的高层建筑结构都使用剪力墙结构，但是要根据建筑自身的特点来选择哪种类型的剪力墙，不能盲目使用。在设计时要注意需要计算的比值，只有计算清楚才能开展具体的设计。

参考文献：

[1]石永忠；浅谈建筑设计的基本原则；[J]；《黑龙江科技信息》；2012年2期.

[2]吴继成.高层框架剪力墙结构设计[J].建设科技，2010（06）.

[3]郭兆伟.高层框架剪力墙结构抗震设计的技术要点分析[J].建材技术与应用，2011，01：24-25.

[4]崔维华.高层建筑框架剪力墙结构设计中几个问题的探讨[J].中国高新技术企业，2007，06：152-153.

（作者单位：石河子博力工程管理有限公司）