高層建筑剪力墻結構優化設計分析

陳光華

（貴州深港中天建筑設計有限公司 貴州 貴陽 550000）

1 引言

高層建筑之所以常使用剪力墻結構是因為剪力墻結構不僅僅具有綜合性強的特點，還具有投資成本低和堅韌度高的特點。和框架結構相比較，剪力墻結構的外觀也更加美觀。伴隨著社會大眾對剪力墻結構的不斷重視，剪力墻結構應用于高層建筑也是越來越普遍，雖然相關的章程對剪力墻結構沒有具體的規定，但是作為工程質量的保證，優化剪力墻結構是核心所在。

2 高層建筑剪力墻結構設計簡析

高層建筑剪力墻結構設計是一項系統性的設計工作，這主要體現在設計重要性、設計前提、設計特點、設計原則等方面。以下從幾個方面出發，對高層建筑剪力墻結構設計進行了分析：

2.1 設計重要性

高層建筑剪力墻結構設計有著非常高的重要性。眾所周知，高層建筑是社會生產發展和人們生活需求的產物，并且本身也是現代化商業化工業化和城市化的必然結果。隨著我國經濟的發展、社會的進步以及城市人口密度的持續提升，高層建筑正在逐步成為當今建筑最為重要的發展趨勢，并且也成為了城市現代化的象征。因此，為了能夠有效地滿足高層建筑的抗震性和經濟性，對于剪力墻結構進行研究就具有重要的理論和實踐意義。

2.2 設計前提

高層建筑剪力墻結構設計有著必要性的前提。例如，設計人員在設計一幢高層建筑時可以將這一建筑看成一根豎直放置于嵌固于地基的開孔帶。其次，由于高層建筑多為巨型空間構架，因此建筑的剪力墻不僅僅需要承受所有重力荷載的作用，并且還需要保持穩定。與此同時，要保證各種建筑內部的裝飾、填充墻等不會在地震等問題中受到損壞，還需要提供建筑內部工作、生活的人們有一個舒適的環境，因此其設計需要將剪力墻變形控制在允許范圍內。

2.3 設計特點

高層建筑剪力墻結構設計自身有著獨特的特點。眾所周知，剪力墻結構在水平力作用下往往容易出現彎曲型的側向變形，其變形特點如下：水平荷載作用下的變形特征和其高寬比之間的關系為H/bw＞2（高墻），彎曲型變形；1≤H/bw≤2（中高墻），彎曲型變形與剪切型變形；H/bw＜1（矮墻），剪切型變形，其破壞形式如圖1 所示。

圖1 剪力墻結構破壞形式示意圖

由于剪力墻結構承受的豎向荷載和水平荷載都較大，使得高層建筑剪力墻結構具有很好的整體性和側向剛度。但需要注意的是，高層建筑剪力墻結構由于不能夠提供大空間房屋并且結構延性通常來說也較差，因此這在很大程度上限制了高層建筑剪力墻結構的設計空間，例如許多高層建筑的內部房屋只能以小房間為主。

2.4 設計原則

高層建筑剪力墻結構設計需要遵循相應的設計原則。設計人員在進行高層建筑剪力墻結構設計時首先應當進行樓層最低剪力系數的計算，并且在計算完畢后通過復核來確保計算結果非常接近規范值。其次，設計人員在進行高層建筑剪力墻結構設計時應當控制好結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的自振周期T1之比，并且確保其不會大于該樓層平均值的1．5 倍。這一情況主要是為了能夠減輕結構自身的重量，并且還能夠在此基礎上有效地減少地震造成的破壞，最終達到降低高成績建筑整體工程造價的目的。

3 剪力墻結構設計優化措施

3.1 加強剪力墻結構均衡設計

高層剪力墻結構的均衡設計需要工作人員使用合理的對策，促進剪力墻結構的受力平均，這不僅僅可以提高工程的安全性能和結構的合理性，而且還可以節約高層建筑的造價成本。剪力墻結構的合理設計需要工作人員依據建筑物的平面布局狀況得出剪力墻結構優化設計的方案，在設計人員設計好剪力墻結構方案的同時還要制定出符合設計要求的管理條例，加強對剪力墻結構的檢查和監督，增強施工人員的安全意識和管理團隊的科學管理水平，保證施工人員嚴格按照設計方案和施工圖紙進行施工，保障施工的質量，特別是剪力墻結構的質量。

3.2 高層剪力墻結構方案的優化設計

①剪力墻設置方向上應該沿著主軸的方向完成雙向的設置，這樣能夠保證空間結構的完整性；對于避震用的剪力墻結構，應該盡量防止出現剪力墻的單向布置，而在不同的受力方向上的抗側剛度的大小上也應該盡量相等，這樣能夠使得建筑內部空間結構工作性能的穩定性得到相應的保證。在保證剪力墻結構的抗側剛度以及承載力上的條件之后，可以對剪力墻的結構進行設計，盡量減小其結構的重量，從而增加建筑內部結構的可操作空間。②對于剪力墻墻肢的截面來說，應該盡量保證其簡單和規則。為了保證剪力墻結構在豎向上的剛度及應力的規則，需要保證剪力墻在門窗等位置上對齊的進行布置，能夠使得結構設計的簡單和安全。對于墻肢上剛度相差較大的洞口，需要將墻內的鋼筋設置成一定的框架模式來應對可能出現的錯洞或者疊合錯洞的情況。對于出現的較長的剪力墻，為了對其結構的剛性進行保證，防止出現以為脆性出現的結構的剪切破壞，應該在合適的位置開設洞口，保證分開的墻體的高度在截面長度的兩倍之上，并且需要利用弱連梁進行連接。在剪力墻平面外的穩定性方面，因為剪力墻在平面內外上的剛度和承重能力上的不同，應該通過設計平面外的彎矩來對剪力墻平面外的穩定性進行保證。當出現剪力墻平面外的樓面與剪力墻墻肢的連接時，應該采取適當的措施來對連接部分彎矩對墻的影響進行控制。

3.3 剪力墻結構墻體配筋的優化設計

關于墻體配筋在剪力墻結構中的優化設計，首先要選擇優質的材料，其中鋼筋材料，質量驗收合格是鋼筋進場前的首要工作，剪力墻結構墻體配筋大多數需要把垂直鋼筋安置在內部，水平鋼筋安置在外部。這是因為地底下的墻體配筋相對于其他部分較多，而且地下水壓和土壓造成的壓力較強，剪力墻結構的配筋通常符合建議標準和工程測算的最小配筋率即可。依據實際現狀制定的剪力墻優化設計能夠較好的減少投資成本。對剪力墻厚度的選擇尤為重要，不必特意把最小厚度定為200mm，在滿足結構計算要求的前提下也可采用180mm 或160mm 剪力墻。同時，剪力墻的高度和厚度息息相關，其參考標準如表1 所示。

表1 剪力墻允許高厚比

3.4 剪力墻結構連梁的優化設計

相關剪力墻結構標準中明確提出，如果連梁的跨高比大于5的時候，就需要按照框架梁的要求展開設計，這也就是表示，跨高比大于5 的連梁，它的剛度不可以減少，然而當連梁的跨高比在5～6 時，一旦剛度不減少，很有可能造成剪力過大，使得建設工程的成本增加，浪費資源。解決方法就是使跨高比大于6，這樣就可以減少鋼筋與混凝土的使用量，節約投資成本。

3.5 層間位移比和最大位移的優化設計

依據規定，在核算常遇地震作用標準值造成的樓層最大的彈性層間位移時，把高層變形建筑物排除以外，大多數不扣除整個結構的彎矩變形，同時算入扭轉變形。所以，以高層建筑為例，首要的任務是制止樓層間和剪切變形。根據制約的垂直構件數量可以制約剪切變形，一旦單數構件布置不科學，就會產生很大的扭轉變形。所以要采取適宜措施減少扭轉變形，且不可以隨意增設構件的剛度。

3.6 樓層最小剪力系數的優化設計

在符合短肢剪力墻承擔的第一振型底部地震傾覆力矩占結構總底部地震傾覆力矩低于40%的情況下，需要最大限度降低使用剪力墻，將大空間剪力墻布置方法作為目的，促進樓層最低剪力系數靠近標準規范。此方法的應用可以加大剪力墻結構的剛度和減少自重，將地震作用造成的消極作用降到最小。

4 結束語

綜上所述，可知高層建筑作為建筑行業發展主流，勢必會得到更加顯著的發展，剪力墻結構的應用更加適應高層建筑需求。剪力墻結構盡管其延性比較差，同時也不具備一定的抗壓性，但是其成本低，其他性能也比較突出。因為高層建筑類型以及具體要求都不同，因此設計人員對其設計方案進行優化，以免犯經驗主義錯誤，影響高層建筑性能。

[1]門進杰，李慧娟，史慶軒，等.某板式住宅高層建筑剪力墻結構優化設計研究[J].結構工程師，2013，29（3）：1～10.

[2]劉禮聯.小高層住宅短肢剪力墻結構設計優化措施分析探討[J].中外建筑，2010（05）：165～167.

[3]王麗群，譚金彪.板式高層建筑混凝土剪力墻結構優化設計分析[J].門窗，2015（5）：165.