高层建筑结构设计特点与剪力墙设计

吴旗英

广东蓬江建筑设计院有限公司 广东 江门 529000

随着城市化进程的加速，高层建筑在城市中的比例逐渐增加，其结构设计变得至关重要。高层建筑的高度和建筑功能要求使得其结构设计面临着更多、更复杂的挑战。建筑高度的不断增加，或抗风、抗震级别的提高，结构体系也相应变化。剪力墙作为高层建筑的主要抗侧力构件，在保障建筑整体稳定性和安全性方面起着重要作用。因此，深入研究高层建筑结构设计特点与剪力墙设计方法，对于确保高层建筑的结构安全、经济性和适用性具有重要意义。

1 高层建筑结构设计特点

1.1 增强竖向荷载承载能力

高层建筑的首要特点之一是其需承担巨大的竖向荷载。由于高层建筑层数较多，承受的恒、活载较大，对结构强度的需求就越高。为了应对这一特点，因此高层建筑的结构设计必须在材料选用、构件尺寸和连接方式、细部设计及构造措施等方面进行合理优化。一方面，常见的高强度材料如钢、钢筋混凝土等被广泛采用，以确保结构的强度和刚度。另一方面，需要充分考虑竖向荷载的传递路径，优化楼板、梁、柱等构件的尺寸和布置，以实现均衡的荷载分配。

1.2 提高抗风及抗震性能

高层建筑由于其高度较高，承受的风荷载很大，地震反应更强烈，其对结构的整体刚度及强度的需求就越高。在高层建筑的结构设计中，需要充分考虑水平对建筑的影响，并采取相应的设计措施以保障建筑的安全性和舒适性。为应对抗水平荷载性能的要求，结构设计中常采用的方法包括增加建筑的刚度和稳定性，通过合理的结构布置和构件设计来减小建筑的振动。此外，还可以采用风洞试验、地震台等技术手段来模拟风荷载及地震作用对建筑物的影响，从而优化建筑的结构设计。在剪力墙的设计中，特别要注意建筑的主导风向及地震作用方向，合理设置剪力墙的位置和数量，以最大程度地提高抗风及抗震性能[1]。

1.3 结构整体性与稳定性考虑

在高层建筑的结构设计中，结构的整体性和稳定性是至关重要的。由于高层建筑的高度较高，其结构体系需要能够有效地分担和传递各种荷载，保证整体的稳定和安全。为了实现结构的整体性与稳定性，设计中采用合适的结构体系，采用设置多道防线、布置最大可能数量的内部及外部赘余度、进行防连续性倒塌设计等。通过结构体系将荷载合理地传递至地基，确保结构整体的稳定性。同时，在构件连接和节点设计上需要加强，重视构造设计，避免出现薄弱点。稳定性是高层建筑结构设计中的重要问题。设计中需考虑构件的屈曲、稳定和抗侧倾等方面，以避免发生失稳现象。

1.4 减小结构自重

高层建筑的自重是巨大的，使其对结构强度的需求很高。同时，地震作用的大小与结构自重直接相关。通过减小自重，造价的减小是非常明显的，取得的经济效益非常可观，因此，在设计中减小自重是非常必要的。减小自重可以通过选择高强材料、轻质材料、优化构件尺寸和布局等方式来实现。例如，采用高强度材料可以减小构件尺寸、轻质材料可以减小自身重量，均可以降低结构自重，减轻荷载对结构的影响[2]。

2 高层建筑结构剪力墙设计方法

2.1 剪力墙布置与分布

高层建筑结构设计中，剪力墙的布置应根据建筑的平面及竖向规则性来确定。例如，某高层办公楼，高度为99.50米，平面及竖向均较规则，平面体形接近正方形。通过建筑体形分析，两个主轴方向的剪力墙需均匀对称布置且控制两个方向的刚度接近、动力特征也相近。首先，在建筑的四个角均布置剪力墙。这样的布置有助于整个建筑结构均匀分布刚度，并且能够提高结构的整体刚度，从而增强建筑的抗震性能。考虑到建筑使用功能，中间的剪力墙位置，选择布置在了楼梯间和电梯间的位置，这样既保证剪力墙不妨碍使用，又能提供足够的刚度，还保证了剪力墙之间的距离，避免剪力墙的间距过大。这种布置有助于剪力墙均匀承受水平荷载，从而增强了整体结构的抗侧性能。虽然剪力墙的布置存在一定的偏心问题，经过计算，偏心满足规范要求，且这样布置最大地满足了使用要求。在结构体系的选择上，选用了框架－剪力墙结构。一方面，满足了建筑对大空间的使用要求；另一方面，框架作为第二道防线，保证荷载的传递和提高结构的延性。在剪力墙的连接设计中，选择了端柱-剪力墙连接，以确保荷载的传递和结构的整体性。这种连接方式能够有效地将剪力墙与结构柱通过框架梁紧密连接，从而确保荷载在墙体与柱子之间的传递更加稳定和连续。通过合理的设置剪力墙，以及端柱-剪力墙连接的选择，能够提高高层建筑的抗风及抗震性能和整体稳定性[1]。

总之，借助理论的分析，成功地规划了高层建筑中的剪力墙布置与分布。通过软件的计算使我们能够合理地优化剪力墙的位置、尺寸和数量，从而有效地提高了建筑的抗风及抗震性能。通过充分考虑每片剪力墙的位置，以及采用合理的构件尺寸，在整体结构中实现了荷载的均匀分散和传递。此外，采用端柱-剪力墙连接，保障了荷载的有效传递，进一步增强了结构的整体性。这些方法的综合运用不仅满足了建筑正常使用的承载能力，也使其在面对外部不利因素时更具可靠性。这个案例突显了结构布置与连接在设计中的关键作用，为高层建筑结构的安全和稳定性提供了有效的保障[3]。

2.2 剪力墙的开洞处理方法

在高层建筑结构的剪力墙设计中，如何处理剪力墙的开洞是一个关键问题，因为这些开口会减小剪力墙的有效面积，削弱剪力墙的承载能力，会明显影响剪力墙的力学性能。

剪力墙在不可避免的情况下必须开洞时，应规则开洞，洞口成列、成排布置，应能形成明确的墙肢和连梁。这样可以使剪力墙的应力分布比较规则，使设计计算结果安全可靠。剪力墙结构不宜布置错洞剪力墙，更不宜布置叠合错洞剪力墙，因为这样的墙体应力分布复杂，计算、构造都比较复杂和困难。当不可避免错洞墙时，错洞墙洞口的水平距离应大于两米，在设计时，应采用有限元等可靠方法仔细计算分析。剪力墙开洞时，不宜离墙端太近。洞口边缘距离墙端的距离，应满足计算和构造要求。

在处理剪力墙洞口时，可以采取以下构造加强方法：

第一种情况，洞口上下对齐，洞口规则，这时，可以以洞口为界，在洞口上方设置连梁，把剪力墙分成两段独立的墙肢，墙肢通过连梁连接。此时，剪力墙的每一墙肢就可以按单片剪力墙常规设计，连梁按相关规定计算设计，洞口两侧设置边缘构件加强。

如图1所示，为叠合错洞墙，阴影部分为剪力墙的叠合部分。有条件时，我们可以把叠合位置也当开洞处理，相当于把洞口加大，做一条跨度更大的连梁连接两端墙肢，阴影部分后期可以用轻质材料填充。由此，开洞变得规则，剪力墙的受力明确，计算也变得简单可靠。按这样处理后，可以按第一种方法对剪力墙进行计算设计，构造加强。

图1 叠合错洞剪力墙示意图

如图2，该位置为楼梯间，原本为一整片剪力墙。由于消防需要，仅在首层设置消防疏散口，需要在墙上开设门洞。从图中可以看出，洞口贴着3-M轴开设，洞口距离墙端太近，无论是计算还是构造上，此处都是薄弱的，存在安全隐患。由于洞口仅首层有，在设计时的处理，如图所示，在3-M轴处加设一根端柱，此端柱延伸至三层。洞口上方则设计一根强连梁，洞口侧边设置边缘构件，经过此处理，通过有限元分析，此处受力虽复杂，但采取的加强措施完全可以抵抗墙体的应力，实现了结构的安全可靠[4]。

图2 剪力墙墙端开洞示意图

如图3所示，这是一种很常见的小洞口构造处理方法。在设计中，譬如烟道，风井等需要穿过墙体的情况是很常见的。此时，往往需要开设小洞口，对于这样的小洞口，由经验可知，一般情况下是不需要参与整体计算的，构造加强处理即可。处理的原则如图，在洞口上下设置暗梁，洞口两侧设置边缘构件，同时，四角设置斜梁暗梁。暗梁的钢筋量应满足墙体钢筋被洞口截断的量，钢筋在墙体内的锚固长度应满足抗震要求。

图3 剪力墙小开洞洞边构造示意图

总而言之，剪力墙上开洞对剪力墙的力学性能影响非常大，需要引起高度重视。以上几种处理方法是比较常用的，且简单有效，施工方便。

2.3 剪力墙与其他结构体系协调

在高层建筑结构设计中，剪力墙与框架柱分散布置可以组合成框架－剪力墙结构；剪力墙可以布置成核心筒，与外围框架形成框架－核心筒结构；在纯剪力墙结构中，在底部可以设置转换，设计成部分框支剪力墙结构。此时，剪力墙与其他结构体系的协调受力至关重要。通过合理的设计和协调，剪力墙能够与其他结构构件紧密配合，确保整体结构的协调受力。

例如，在框架－剪力墙结构中，应注意剪力墙的位置与框架柱的位置相协调，注意单片剪力墙承受过大比例的剪力等。在框架－核心筒结构中，应特别考虑外围框架的刚度与核心筒刚度的协调。在部分框支剪力墙结构中，应特别注意转换位置要有明确的传力途径，传力途径应可靠性，尽量多地设置冗余约束。在剪力墙与其他结构体系协调受力方面，除了需要掌握每种体系的受力特点外，最重要的是节点连接设计。无论是何种结构，传力都应非常明确。传力途径都是靠一个个节点把每一个构件连接起来，节点不可靠则传力途径就无法实现，必然存在安全隐患。因此，想要使剪力墙与其他结构体系做到良好协调，首先应掌握各种体系的受力特点，然后按照不同的受力特点用相应的构件连接，加强节点，形成明确的传力途径，最终发挥出整体空间作用[5]。

3 结语

综上所述，根据高层建筑结构设计的特点，采用剪力墙设计在提升结构的抗风及抗震性能、稳定性和整体结构的协调性方面都起着重要作用。通过合理的剪力墙尺寸、布置和连接设计，可以有效地分担荷载、增强结构的刚度，并与结构其他构件协调一致。剪力墙的设计需要充分考虑荷载特点和结构需求，以保障高层建筑的安全性和可靠性。因此，在高层建筑的结构设计中，科学合理的剪力墙设计方法具有重要意义，为建筑的舒适使用和安全运营提供了有力支持。