高層建筑剪力墻結構設計優化探究

【摘 要】隨著社會經濟的快速發展，高層建筑物開始在社會的各個角落拔地而起。而高層建筑物的施工建設對其設計方案具有非常高的要求。尤其是剪力墻的結構設計，更是整個設計方案中的一大要點。鑒于此，本研究討論了一些筑剪力墻結構設計優化的方法，為設計人員提供簡單的參考。

【關鍵詞】高層建筑 剪力墻結構 優化設計

剪力墻是建筑物非常重要的承力結構，特別對于高層建筑來說，它的結構設計關乎整個建筑的安全性與穩定性。但是，很多設計者為了保證剪力墻的可靠性而往往把它設計的十分復雜，結果反而使其的性能有所下降。因此，必須采取一些可行的方式優化它的結構設計。

1. 高層建筑剪力墻結構設計優化的一些方法

高層建筑剪力墻是整個建筑結構中重要的承力結構，它一般會受到其他結構部分的水平拉力、縱向壓力等作用，同時具有較大的橫向剛度。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。從實際工程設計以及工程建設方面來看，剪力墻的優化設計主要包括剪力墻的分布密度、分布位置、施工層數以及抗震性、抗壓性、抗拉性等幾個主要方面。

1.1.剪力墻結構的空間布置優化

剪力墻結構的空間布置是其結構優化設計的重要方面，其原因在于，倘若它的空間布置處在非常合理的位置的情況下，就可以在一定程度上簡化其整體結構（如重量、體積等），且可以有效地減少其數量。在具體進行空間布置時，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，且各墻肢布置時應使用整體式鑄造結構，并使用強度大的混凝土結構，以盡量較少其外部構建，簡化其整體結構，從而獲得獲得滿足規范要求的抗側、抗扭剛度。同時，在剪力墻連續轉折及小墻垛布置時，宜使用轉折處平滑過渡、小墻垛適當削平等施工設計方案，以減小其對外緣構件的影響。

1.2. 剪力墻的內部構造的優化設計構造

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，這就要求在剪力墻的結構設計及施工時對彎矩進行適當的控制，具體做法是精確地計算墻體受力分布，從而決定彎矩的角度以及曲度。而在剪力墻中抗震墻的的結構設計中，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，在鋼筋的選擇是，盡量選擇韌性好延展性稍強的鋼筋，并注意鋪設的密度；除此之外，還應該在剪力墻的頂部設施是適當大小的暗梁，從而滿足連梁、框架梁縱筋及剪力墻豎向鋼筋錨固需要，并且按照實際需求配置縱筋和箍筋，并將接縫焊接緊密，從而在內部實現剪力墻的結構優化（在滿足施工要求的情況下）。

1.3.剪力墻開口部分的結構優化

有些時候，剪力墻會承載一些橫梁、樓板等結構，而會在墻體上設置一些開口。而開口的開鑿無疑會影響到剪力墻整體的性能。而為了彌補這種性能上的損失，設計人員往往會增加一些附屬結構來進行彌補。但是這些結構會在一定程度上使得剪力墻結構復雜化。為了解決這個“矛盾性”問題，可以采取一些優化方案，如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；在對抗震性能的結構設計時，則應當盡量避免在洞口與墻邊或兩個洞口之間形成墻肢截面，并可以設置一些簡單的類似支架功能的結構體，從而達到剪力墻開口部分的結構優化的目的。

1.4.剪力墻施工設計方案的選擇

根據一項統計數據顯示，在剪力墻的結構優化設計中，設計方案階段是最重要的控制階段，其在整個優化設計工作中所占據的影響力占到了總體的70%，可謂是最關鍵的階段。也就是說，整個剪力墻優化設計工作能達到什么樣的高度，關鍵就在這個階段之中。因此，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，最終確定其設計方案和改進方法。其具體做法是：將設計隊伍按照合適的方法分成若干組，每一個組單獨進行設計工作，并拿出具體的設計方案，最后將各個方案匯集起來綜合的進行比較，優勝劣汰，并吸取每一個方案的優點，匯集成一個新的總方案。并將這個方案交予專家組仔細論證，以求得相關的改進意見，最終形成最優的設計方案。在施工方面，根據實際研究，超過 20 層的建筑物結構（也即高層建筑）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，因此應根據實際需要選擇合適的結構體系，而且還需要嘗試性的施工，也即先施工一小部分墻體，驗證其是否滿足實際需求，然后再進行全面性施工。最后需要說明的一點是，有時在采用傳統的現澆剪力墻結構時，若出現結構的剛度過大的情況時，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。

1.5.連梁結構的優化設計

連梁結構式剪力墻最為重要的組成結構之一，它的優化設計情況往往會在很大程度上影響到整體的結構優化效果。在工程上，連梁主要起到抗震的作用。在具體設計時，連梁往往以高跨比2.5作為“分水嶺”，將連梁結構形態分為高跨比大于2.5和小于2.5這兩種類型，且工程上在截面受剪承載力以及配筋這兩個方面對這兩種類型都有明確的要求，而在其優化設計時必須在滿足要求的條件下進行。此外，在其塑性調幅方面，一般采用的優化方案是以下兩種：（1）將連梁的剛度在內力計算之前進行折減。（2）將連梁的彎矩與剪力的組合值在內力計算之后再乘上一個折減系數。上述兩種方法并沒有明顯的優劣之分，所要達到的優化結果都是經過調整后連梁的彎矩、剪力設計值不得小于使用階段實際值，也不得低于設防烈度低一度的地震組合所得的彎矩設計值，從而保證在連梁結構受到較大真震動時，出現較大的裂縫甚至斷裂，從而影響建筑物的結構安全性。此外，對連梁進行鉸接處理時，不應留下冷縫、裂口等問題。

1.6. 剪力墻底部加強部位的設計優化方法

由于剪力墻是十分重要的承力結構，而單憑主墻體的強度一般很難滿足實際施工需要，尤其在高大的建筑物中更是如此。為了解決這個問題，在工程上普遍采用對剪力墻底部設置加強墻的方法。而加強墻的增設會在一定程度上使得整個剪力墻結構復雜化，從而影響到建筑內其他結構部分的布置。因此需要對其進行優化設計。到目前為止，實際施工中所采用的的優化方案有：（1）一般高層剪力墻結構，底部加強部位的高度可取嵌固部位以上墻肢總高度的1/8和底部兩層高度二者的較大值，并注意底墩的外飄寬度；（2）當剪力墻的底部包含有轉換層或者類似結構時，所采取的方法與（1）中的時分相似，也就是其剪力墻底部加部位的高度可取框支層加上框支層以上2層的高度及墻肢總高度的1/8二者的較大值。除此之外，還有一種比較特殊的情況，也即嵌固部位不是獨立的結構，而是使用其它結構來代替時，例如地下室頂板視作嵌固部位的情況，為了在發生地震時避免引起破壞的傳遞性，就需要在優化設計方案中將加強部位的范圍應向下延

伸到地下室，并應按規范要求在地下室第1層設置約束邊緣構件。總而言之，底部加強墻的優化設計所起到的優化作用是十分明顯的，應當給于足夠的重視。

結語：另外，轉換成的結構優化設計同樣不容被忽視，它在剪力墻中的作用也是非常重要的。最后需要強調的是，在進行剪力墻結構優化設計時還應注重經濟性，控制好成本。

參考文獻：

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