高層建筑剪力墻結構設計優化探究

陳英鵬

（佳木斯市建筑設計研究院，黑龍江 佳木斯 154002）

1 剪力墻結構的優化設計

剪力墻結構一般承受水平力、豎向力的能力較大，橫向剛度也大，可建造的建筑與框架結構相比層數更高、更多。因此，設計剪力墻時，應根據各型墻體的特點，并與實際的工程背景相結合，對高層剪力墻結構的優化進行認真研究是有必要的。對于結構專業來說，好的設計應該是技術合理、安全可靠且經濟指標要優良。剪力墻布置數量、位置及其層數與抗震強度等是優化設計的重要內容。

1.1 結構布置

剪力墻盡可能布置在結構周邊外圍護墻位置，在結構中部宜減少剪力墻的布置量，且各墻肢布置時應考慮如何減少邊緣構件獲得滿足規范要求的抗側、抗扭剛度。在布置剪力墻時，應考慮剪力墻連續轉折及小墻垛布置對邊緣構件的影響，在水平力的作用下，可以按照懸臂構件來計算整體墻的截面彎矩和剪力，剪力墻的布置數量及其組合形式與結構總體剛度關系密切。

1.2 洞口設置

對于小開口的整體墻，因洞口的影響，墻肢間不是直線應力分布，但偏離不大，在整體墻計算方法的基礎上可加以修正，在對抗震設計時，盡可能避免在洞口與墻邊或兩個洞口之間形成墻肢截面高度與厚度的比要小于4 的小墻肢。

1.3 剪力墻的構造措施

剪力墻的特點是平面外剛度及承載力相對很小，而平面內剛度及承重力大，因此剪力墻平面外的彎矩應有所控制；抗震墻結構應當滿足墻肢軸壓比限值界線值時可按規定設置構造邊緣構件，一般剪力墻墻體配筋要求是水平鋼筋放在外側，豎向鋼筋放在內側；剪力墻頂部設置暗梁，以便連梁、框架梁縱筋及剪力墻豎向鋼筋錨固，按構造要求配置縱筋和箍筋。

1.4 剪力墻結構方案的選擇

在結構優化設計中，方案階段的優化影響大約占到百分之七十，由此看來，在方案階段應考慮結構形式的合理性與經濟性，并使建筑功能與結構布置結合，對工程實施的順利進行是有著重要作用的。合適的結構體系的選擇，在方案階段可以控制總體成本，對于層數較小的高層住宅（比如在20層以下），可采用短肢剪力墻結構體系，若20層以下的高層住宅采用現澆剪力墻結構設計，因各墻肢軸壓比較小，墻體配筋為構造配筋，墻體承載能力就不能發揮出來，工程費用也相對有所提高，解決以上不足之處可采用短肢剪力墻結構；超過20層的建筑物結構最好還是采用傳統的現澆剪力墻，如若采用短肢剪力墻體系，結構就會較柔，結構頂點位移和層間位移規范要求就不一定能夠得到滿足，底部剪力系數也偏低，就會造成不安全的結構。有時在采用傳統的現澆剪力墻結構時，結構的剛度過大可以采用在墻肢上開孔，或者將窗臺改成磚砌結構等措施進行調整。

2 剪力墻結構設計計算的原則

剪力墻結構剛度大，整體性好，水平荷載作用下側向變形也小，剪力墻的設計計算是考慮水平和豎向作用下進行結構整體分析，梁進行框架剪力墻調整與不調整兩次計算，有選擇的進行配筋設計。剪力墻連梁的跨高比不應小于2.5，否則很容易出現剪力和彎矩超過規范限值，調整后的連梁彎矩、剪力設計值不應低于使用狀況值，也不應低于比設防烈度低一度的地震組合所得的彎矩設計值，否則會造成危險；剪切變形的控制以豎向構件的多少來決定，高層建筑應盡量減少扭轉變形，但也不能只根據這些層間位移而不加分析地盲目增加豎向構件的剛度，在工程實際設計中，可能有些設計人員一看到某一方向層間位移的規范要求不能滿足，就會不斷地增加該項的側向剛度；樓板在自身平面內的剛度可視為無限大，而在平面外的剛度很小，可以忽略；根據結構類型與受力情況，對剪力墻兩端及洞口兩側的加強邊緣，按墻肢在重力荷載代表值作用下墻肢軸壓比的界線及加強部位要求可分為約束邊緣構件和構造進行設計。在實際工程設計中，應將結構豎向構件盡可能沿建筑周邊布置，降低結構中間構件的剛度，這樣不但可提高結構的側向剛度，也能夠大幅度提高結構的整體剛度；隔墻盡可能采用輕質墻體，以減輕荷載，較小地震作用，減低基礎造價，高層或超高層剪力墻結構樓層連梁及框架梁內力及配筋隨高度的變化較大，因此建議適當選擇合并樓層數，這樣可以節約用鋼量。

3 高層建筑剪力墻結構設計優化其它措施

3.1 施工過程應注意的問題

在框架結構中框架梁及與框架柱相連的其他結構構件的受力筋都要錨入框架柱內并滿足錨固長度；在一定條件下抗震墻本身可以具有較好的延性和耗能能力，但是這種延性和耗能能力需要靠剪力墻自身分布鋼筋的合理配置才能實現；施工過程設置邊緣構件目的是增加結構的延性和耗能能力以提高結構的抗震性能。

3.2 控制建筑結構成本的措施

暗柱、梁、板采用高強鋼筋，以減少計算配筋量，墻體荷載可以扣除，明確建筑使用功能以確定活荷載，去掉不必要的荷載。配筋應以滿足計算及規范建議的最小配筋率就可以，但是地下部分的墻體配筋應通過計算確定，框架和剪力墻共同承擔外部荷載時，二者間為保持變形協調還存有相互的作用。

3.3 連梁優化設計

經過調整后的連梁應確保其彎矩、剪力設計值應不小于使用階段實際值，也不應低于設防烈度低一度的地震組合所得的彎矩設計值，以防止在正常使用時而產生裂縫，影響結構安全。對于轉換層結構設計，其本身的剛度與質量不宜過大，一般可通過水平力作用下精確的空間分析來檢查轉換層附近的層間位移角是否基本均勻。

4 結語

高層剪力墻結構設計時應關注設計優化，通過調整概念設計理論、結構設計、結構計算設計原則及一系列合理的技術措施，才能保證高層建筑的安全、經濟，滿足全民的住房需求。

[1]李勇軍，王燕.帶縫剪力墻的非線性分析[J].山西建筑，2008，(35).

[2]GB50011-2010，建筑抗震設計規范[M].中國建筑工業出版社，2010.

[3]呂瑞孝，姜劍虹.高層建筑剪力墻結構設計需關注的要點[J].科技信息，2011，(19).