高层建筑剪力墙结构设计优化探究

药帅

（太原王孝雄建筑设计院（有限公司），山西 太原 030000）

0 前言

目前我国的剪力墙主体结构得以广泛应用于高层建筑项目，该结构刚度性能与侧翼性能较好，能够增强建筑的抗震效果，满足高层建筑对刚度、侧移水平及稳定性的要求。但是，由于剪力墙主体结构的设计过程中受到多种因素的影响，设计仍然存在着不尽人意的问题，所以我们就需要针对性地采取一些有效的手段来优化主体结构设计，为其在高层建筑中的安全与稳定性发展提供一个保障。

1 高层建筑剪力墙概况

1.1 高层建筑剪力墙结构概述

剪力墙是一种具有一定刚度和整体性的结构，不但用钢量较少，同时建成后不存在露柱露梁情况。同其他框架结构相比，剪力墙结构的设计美观和实用性效果都更佳，适合使用。所以在建筑中采用剪力墙的结构给室内设计和装饰提供便利，有效增加了室内的使用面积。剪力墙结构的各个墙肢之间的轴压较小，难以发挥其承载性能，由于构造配筋的施工方法导致的结构伸缩性不好，都会给剪力墙的质量带来不利的影响。如今剪力墙已被广泛地应用于高层建筑中，属于墙体结构的一种，其构成材料为钢筋混凝土，在横向与纵向承重板的交错作用下产生承重性能。因为其结构能够有效保障高层建筑的稳定性与抗侧性，提高其刚度性能与抗震性能，并且剪力墙能够将承重柱隐藏于内部，节约空间的同时满足居民生活需要。

1.2 高层建筑剪力墙设计原则

在进行高层建筑的剪力墙结构施工阶段，还是根据需要来分析剪力墙体中钢筋混凝土的应力状态。在对剪力墙结构进行设计时，需要全方位分析墙体的伸延性，墙体伸延性对于剪力墙的结构具有很大的影响，因此如果在设计时质量上出现了问题，过高或者太薄，就可能会直接造成连梁的使用出现问题，进而可能引发出现张拉、弯曲等问题，造成剪力墙结构受损。因此，在实际的建筑设计中也就需要进一步加强对建筑剪力墙安全防护性能的正确认识和高度重视，避免发生弯曲问题。同时截面部分还需要设置一个孔，将墙体分为多个部分，形成连接墙，使剪力墙延性效果发挥作用。

1.3 高层建筑剪力墙分类

根据剪力墙的性质，我们可以把它划分为一系列的几种形式：①实体墙，实体墙的强度和承受重物载荷的性能都比较高，同时还要有良好的耐腐蚀和抗弯韧性，通常墙体并没有打开任何洞或者是存在很少的小尺寸孔；②小型开口剪力墙，多数的情况下，如果墙上一个开口的面积超过全部剪力墙15%，通过受力分析就能够看出，本来在这个洞口作为一条直线分布的正应力已经移动到了洞口两侧，虽然这个洞口并没有造成任何异常的问题，但是很有可能由于外力原因而导致反向弯曲。

2 高层建筑剪力墙结构设计优化策略

2.1 剪力墙结构设计优化

剪力墙的结构布局原则上认为是沿着主轴线的方向进行双向布局，对于高层建筑而言，就需要有效的做好其抗震设计，因此对于剪力墙在其进行布置时，不能够直接使用单向布置的方法，使剪力墙的空间变大，减少了结构的重量，进而有效提升其抗侧刚度与承载性能。①需要在施工前对剪力墙的表层进行简易的规划，保证所有开设的洞孔都是整齐，为后续形成梁提供便利，以防洞孔错开、分布不平衡等情况，对结构造成不利影响；②在具体设计阶段，设计人员需要对建筑物结构进行全面分析，保证设计结构符合墙体水平面内刚度、承重性能等要求，基于位移、周期比等相关指标，对墙体厚度加以明确。如果指标不符合标准，需要继续优化，根据具体情况对剪力墙结构进行设计，确保其稳定性以及高层建筑的整体安全性。对高层建筑工程造价来说，合理控制剪力墙配筋具有重要意义。分析了过往高层建筑的结构设计，多数情况下剪力墙的配筋均是根据国家相关规范和标准中所规定的最低配筋率来实现配筋构造，因此我们需要有效控制剪力墙身钢筋的厚度，进而达到有效控制剪力墙身钢筋使用量。在正式施工前选择合理、优质的材料十分重要，主要在于钢筋材料的选择，需要对其进行检查，保证其质量性能达标后方可进场投入使用。在进行剪力墙结构配筋选择时，需要注意确保配筋材料必须符合工程量测算及国家相关规范的要求，水平钢筋一般需要配筋设置在外侧，垂直钢筋则需要配筋设置在内侧，根据其具体情况进行展开最佳优化设计，进一步降低成本；③对于高层剪力墙的结构而言，连梁也是其非常重要的费用构件，对于抗震设计而言至关重要，具有很好的消耗地震资源和能量。在高层建筑进行折减费率计算的同时，设计师们也需要依照高层建筑的具体情况，对减少值进行合理控制，通常情况下需要将其控制在0.5以上，并且在0.5～1.0这一范围区间中，保证其最佳状态。在具体进行调整的过程中，因为剪力墙受到其他各种环境因素的干扰，导致连梁刚度的减少，也就是说无法达到所要求，因此即使得剪力墙的结构承载抗震能力不合格，设计者们也可以适当地减少连梁的刚度，降低了连梁高度，通过这种调整方法可以尽量减少由于大自然灾害而给建筑物带来的影响。

2.2 碳纤维复合材料加固技术

为了保证其抗震、耐腐蚀等性能，剪力墙主体结构必须具备足够大的变形性和承受荷载的能力。在进一步提高建筑剪力墙主体结构抗震性能的同时，又必须始终保持主体墙的耐损耗能力，以满足现代建筑抗震设计标准规范的特点。许多新型的加固工艺技术己经被研究开发和进行了对于钢筋混凝土建筑外墙的加固，其中碳纤维复合材料的加固工艺技术因其自身的重量轻、施工方便、耐腐蚀性能好等优点而最受欢迎。然而，大多数研究者研究了碳纤维复合材料缠绕技术在既有弱剪力墙抗震改造中的作用，在提高其抗震性能的过程中要在不影响墙体耗能能力的前提下，将碳纤维复合材料筋条粘接在两面墙上，以提高其墙体抗震性能的强度。另外，在对剪力墙进行施工设计时还要十分注意重视技术和管理工作，培养剪力墙施工设计过程中技术和管理者的专业技能。剪力墙施工过程的管理人员负责整个剪力墙施工的统筹管理，上至工期安排下至材料存放，要做到心中有数。但很多企业对于管理方面不是很重视，整个剪力墙施工完全是靠工作人员自主完成，没有人对其进行监督管理。大部分施工人员对剪力墙施工的操作都很陌生，这时管理人员的出现就是必要的了，严格的管理制度是短肢剪力墙施工的有力保障，剪力墙施工管理工作从始至终贯穿施工工程，制备完善的剪力墙施工管理体系意义颇深。要制订切实可行的管理办法，合理分配施工人员，确保各司其职。到现场进行实地考察，根据实际情况及时得出下一步的可行方案。另外，在开始正式施工之前，有必要对所有参与人员进行技术培训，确保每位工作人员都能理解剪力墙施工的具体环节，具备所需的专业技能。另外，还要进一步优化建筑的平面布置，平面的布置与其工作性能及剪力墙的承载刚度分布、结构稳定性等有密切的关系，如果设计不合理就可能造成承载力和刚度的不符，或者结构存在扭转效应等不良问题，墙体存在程度不一的弯曲和变形。因而设计师需要提高和加强对该部分建筑物的设计工作重视，根据建筑物的设计需求以及相应的剪力墙总体设计方案，提高建筑物剪力墙在建筑物平面上的综合布置技术水平，确保建筑物的综合布置和建筑物平面上的设计规范性，保障综合布置的科学和合理。除此之外，还需全面优化内外围墙体的连接和设计，确保其横向和纵向截面的规律。

2.3 科学制定剪力墙的数目

剪力墙的抗震性能随着建筑层数的增加而呈下降趋势，因此，在较高层建筑的施工过程中应该尽量避免大面积剪力墙的应用，引起建筑不必要的安全风险。在剪力墙的应用过程中，要根据实际情况合理安排剪力墙的数目，确保剪力墙应用的科学合理，在提升建筑抗震性能的前提下保障用户的安全。另外，在进行剪力墙浇筑和施工的过程中，要严格根据有关国家规定和法律的要求执行，按照国家相应的技术和法律法规进行浇筑和施工，在符合国家设计要求的前提下进行剪力墙的施工。在实际进行施工的过程中，剪力墙所设定的材料数目多少都需要经过严格分析，墙肢的长度应该是根据建筑物的尺寸来度量，尽量减少和降低剪力墙体通风时具有高于建筑物刚性的强度，防止剪力墙体质量和水平下降，抗震性能大大减弱，给施工建筑造成不必要的损失。在对短肢剪力墙的数量设定不合理的条件和情况下，即使在很短的时间内对其没有任何威胁，也可能会直接导致剪力墙体太过柔性，虽然它们能够同时承受较大的侧向力，但是横向的承载力却会有所降低，给施工工程留下很大的安全隐患。而且在高层建筑中对剪力墙结构进行设计过程中，设计师们还需要根据建筑物在遭受强烈地震后所产生的楼层间位移、扭曲变形等与其相关参数进行综合计算，合理设计剪力墙的垂直、水平结构件个数，禁止随意改动构件刚度，最大限度地防止由于楼层间与剪切而导致的变形。设计师在高层建筑的剪力墙结构设计过程中，还需要对结构是否合理进行全面检查。保证了剪力墙刚度合理，在符合建筑楼层层间的位移及层高比较的必要前提下，将最小剪力系数进行作为比较，能够有效保证所得的计算结果符合规范值。同时也需要全面分析剪力墙连梁是否合理、底部轴压比等情况。

3 结语

综上所述，当今我国高层建筑中剪力墙主体结构的研究和应用日益普遍，若是剪力墙主体结构的设计中存在一些问题，势必会给建筑物的整体稳定性以及其安全系统带来一些影响。因此，必须及时采取有效的技术措施，全面优化剪力墙的结构设计，促进建筑行业的可持续发展。