對高層建筑剪力墻結構設計的探討

【摘 要】剪力墻結構由于其抗震性能好被廣泛應用于高層建筑中，在剪力墻設計中要講求一定的原則，本文對剪力墻結構設計的措施進行了探討。

【關鍵詞】高層建筑 剪力墻結構 結構設計

1.剪力墻結構設計的原則

1.1 按照墻面肢長和厚度的比例進行結構設計

在眾多的高層建筑中，剪力墻的高度、寬度尺寸都是不一樣的，所以，在剪力墻的設計過程中要根據墻面的結合特征以及受力情況來計算墻面肢長和厚度的比例，并根據得出的比例結果來決定是按柱設計還是按照雙向受壓結構進行建筑設計。

1.2 剪力墻要具有高強度的承載力、延生性

在剪力墻的結構設計中，要考慮到墻體會經受到多方面的壓力，例如水平剪力、豎向壓力等，所以，設計師在設計的時候一般采用的是延性彎曲型，這樣就可以有效地增加建筑物的抗壓防震的能力。

1.3 保證施工安全

剪力墻在設計的過程中要盡可能地不使用平面外搭接的方法，如若是在避免不了此類事情的發生，就必須要采用規范的措施方法，進而有效保證剪力墻平面外的安全。

2.剪力墻的布置原則

剪力墻的布置一般涉及四方面，即均勻、分散、對稱以及周邊。其中分散的原則是要求設計師在設計的過程中要求剪力墻的片數不能太少，每片剪力墻的剛度以及尺寸也不能過大，彎曲剛度也要適中，還要考慮剪力墻的距離問題，如果距離太遠的話，就會造成墻面的剛度過大，缺乏韌性。剪力墻的周邊原則是就因外力而致使建筑物扭轉現象發生而言的，剪力墻的布置于周邊對稱的位置，進而增加建筑物抵抗扭轉的內力臂，使剛度中心和平面中心相適應。建筑墻面平面形狀往往富于變化，剪力墻的布置應該集中在這些地方，剪力墻的設置對于建筑物整體質量的提高是不容分說的，但是如果在高層建筑的電梯點、樓面、樓梯間等地方進行開動便會嚴重影響建筑的剛性，所以，在施工過程中，對這些薄弱的地方，需要使用鋼筋混泥土剪力墻進行建造。

3.高層建筑剪力墻結構設計措施

在高層建筑的剪力墻結構設計中，既要注意發揮這種結構抗側能力強的優點，又要避免其工程預算較高的缺點。對于建筑物中的鋼筋砼結構，顯然剛度大的結構在震害中的破壞性較小，但是鋼結構必須合理配置而不能隨意增大，因為建筑物中的剛度越大，需要支出的費用就越多，應掌握一個合理的“度”。在高層建筑中，合理的設計方式主要體現在兩個方面：一方面是控制剪力墻結構的水平位移，使其滿足相關規定的限值；另一方面則是對地震力的控制，因為即使地震力計算值處于偏小的水平，也可能出現結構頂點位移滿足要求的情況。因此，只有在底部剪力控制合理范圍內的前提下，檢查建筑物的內力、位移以及配筋情況才真正有意義。

3.1 避免出現獨立小墻肢與剪力墻剛度不宜過大

《高層建筑混凝土結構技術規程》中規定：“矩形截面獨立墻肢的截面高度不宜小于截面寬度的5 倍。”一旦出現上述情況，對墻肢軸壓比、配筋等都有嚴格的限制，設計施工都比較困難。在實際設計中，獨立小墻肢基本上可以通過合并洞口等方法消除，或合理布置剪力墻，使小墻肢成為墻體翼緣，其受力狀態明顯好于獨立小墻肢，僅適當加強配筋即可。同時剪力墻結構應具有足夠的延性，細高的剪力墻容易設計成彎曲破壞的延性剪力墻，從而可避免脆性的剪切破壞。

3.2 注重轉換層結構設計

高層建筑功能和形式日益多樣化，當多功能綜合大樓要求一棟建筑物的上部（中部）和下部使用功能不同時，結構布置也要相應改變，要設置轉換構件銜接上下結構，傳遞內力，設置轉換構件的樓層稱為轉換層。因此，對于高位轉換的底部大空間剪力墻結構這樣的復雜結構，應當慎重設計。由于高位轉換時剛度和質量較大的轉換層升高，調整轉換層本身及其上、下的剛度比使之接近是必要的，轉換層本身的剛度和質量不宜大，最終可通過水平力作用下精確的空間分析檢查轉換層附近的層間位移角是否基本均勻。宜盡量選用剛度和重量較小的轉換層結構形式，計算時應多取參與組合的振型數。通過計算仔細分析可能存在的薄弱部位，研究具體的內力分配特點，通過調整內力和構件配筋設計改善薄弱部位的性能。

3.3 優化連梁設計

一般連梁具有截面大、跨度小的特點。高層建筑在水平力的作用下，連梁的內力通常較大。高層建筑的連肢墻在水平力的作用下，其破壞主要分為脆性破壞及延性破壞。其中連肢墻的脆性破壞也可分為兩種情況。一是脆性破壞發生在墻肢部位，由于墻肢的抗剪能力較小而產生剪切破壞現象，這就會造成剪力墻的承載能力日益下降，而結構發生突然坍塌，這也是在設計中應極力避免的問題。在建筑的抗震規定中，要求抗震墻的截面截壓比限制及抗震等級，是一、二級時抗震墻底部加強部位的建立設計值的放大系數，這也是為了預防剪力墻在彎曲破壞前而產生的剪切破壞。脆性破壞的第二種情況就是當連梁產生剪切破壞時，造成連肢墻各個墻肢喪失了連梁對墻肢的約束作用。在沿墻全高所有連梁都產生了剪切破壞時，連肢墻的各墻肢就成了單片的獨立墻，這就會大大降低結構的側向剛度，加大墻肢彎矩。但是，第2 種情況與第1 種墻肢發生剪切破壞的情況相比，當連梁產生剪切破壞時，結構并沒有失去承載的能力；而在墻肢破壞之前，只要所考慮的連梁并不承擔很大的豎向荷載力，也不會造成結構的倒塌現象。

3.4 底部加強部位的設計

抗震設計時，一般高層剪力墻結構，底部加強部位的高度可取底部兩層和墻體總高度的1/10二者較大值，部分框支剪力墻結構底部加強部位的高度，可取框支層以上兩層的高度及落地抗震墻總高度的1/10二者較大值；帶轉換層的高層建筑結構，其剪力墻底部加強部位的高度應從地下室頂板算起，取至轉換層以上兩層且不宜小于房屋高度的1/10。當將地下室頂板視作嵌固部位，在地震作用下的屈服部位將發生在地上樓層，同時將影響到地下一層，此時地下一層的抗震等級不能降低，加強部位的范圍應向下延伸到地下一層，并應按規范要求在地下一層設置約束邊緣構件。

3.5 剪力墻結構的抗震薄弱環節及概念設計

振動臺模擬地震試驗結果表明建筑平面外邊緣及角點處的墻肢、底部外圍的小墻肢、連梁等是剪力墻結構的抗震薄弱環節。當有扭轉效應，建筑平面外邊緣及角點處的墻肢會首先開裂；在地震作用下，高層剪力墻結構將以整體彎曲變形為主，底部外圍的小墻肢，截面面積小且承受較大的豎向荷載，破壞嚴重，尤其“一”字形小墻肢破壞最嚴重；在剪力墻結構中，由于墻肢剛度相對減小，使連梁受剪破壞的可能性增加。因此，在剪力墻結構設計中，對這些薄弱環節，更應加強概念設計和抗震構造措施。例如，剪力墻在平面上分布要求均勻，使其鋼度中心和建筑物質中心盡量接近，以減小扭轉效應；適當增加建筑平面外邊緣及角點處的墻肢厚度（宜取250mm，對低部外圍的小墻肢根據需要可取用300mm），加強墻肢端部的暗柱配筋，嚴格控制墻肢截面的軸壓比不超過0.6，以提高墻肢的承載力延性，高層結構中連梁是一個耗能構件連梁的剪切破壞會使結構的延性降低，對抗震不利，設計時應注意對連梁進行“強剪弱彎”的驗算，保證連梁的受彎屈服先于剪切破壞；剪力墻宜在兩個方向均有梁與之拉結，連梁宜布置在各肢的平面內，避免采用“一”字形墻肢；剪力墻底部加強部位的配筋應符合規范要求等。

4.總結

綜上所述，現階段我國的高層建筑中廣泛的使用框架剪力墻結構，能更好的改善建筑物的抗震能力，增強建筑物的穩固性，在今后的實踐中，還需要不斷的完善高層建筑的剪力墻結構設計。