剪力墻結構的優化設計

姚永峰

(河南省建筑設計研究院有限公司, 河南 鄭州 450014)

隨著我國經濟社會的發展，特別是新型城鎮化進程的加快，我國城市人口不斷增加，為了緩解城市人口壓力，高程建筑應運而生，甚至出現了超高層建筑。在高層建筑結構設計中，通常都采用剪力墻建筑結構，而如果通過優化設計保證建筑結構的安全性，乃是目前重要的研究課題之一。本研究主要就高層建筑剪力墻結構優化設計做了有益的分析與探討，為剪力墻結構優化設計提供參考與借鑒。

1 高層建筑剪力墻結構

高層建筑混凝土結構技術規程中對高層建筑剪力墻結構的應用做出了明確規定，認為高層建筑結構不應全部采用剪力墻結構，如果短肢剪力墻結構較多時，可布置一般剪力墻或者筒體來形成斷肢剪力墻和筒體，從而形成一種共同抵抗水平力的剪力墻結構[1]。而在高層建筑抗震設計時，墻體筒體通常承受的是第一振型底部地震傾覆力矩不超過結構總底部地震傾覆力矩的1/2。這種情況下剪力墻結構是安全的，屬于短肢剪力墻結構。

但是短肢剪力墻結構抗震性能差，且不具有良好的經濟指標，在實際工程中，特別是地震帶上的高層建筑不適用。在高層建筑設計中，應盡量使用豎向或水平結構，科學分布剛度和承載力，確保剪力墻結構的高度符合要求。在布置上，剪力墻結構不必均為大開間剪力墻，有效滿足荷載傳遞要求即可。在設計時，盡量將剪力墻設計為“L”形，這種結構形式有助于結構的穩定性，也能滿足側向剛度。在各項指標符合規范的條件下，盡量減輕結構自重和減少結構構件，以盡可能降低工程成本[2]。按照工程經驗，“T”形和“L”形剪力墻，如果一墻體不符合要求時，則另一方墻體的墻肢不宜過短，嚴格控制在1m，確保墻端暗柱配筋符合要求。

2 剪力墻的概念和結構效能

高層建筑使用建筑剪力墻結構，不僅僅是因為剪力墻結構綜合性特點，但還是由于其具有投資成本低和堅韌度高等特點，這兩個特點是剪力墻在高層建筑結構中廣泛應用的原因[3]。在高層建筑中使用剪力墻結構，可降低工程造價，與其他結構相比，優勢較大，特別是與框架結構相比，剪力墻結構的外觀更加美觀。

在高層建筑中利用剪力墻結構，不僅適合建筑結構的整體布局，而且還可滿足建筑物的平面結構。在整體建筑中，剪力墻結構屬于一個構件，抗震效果顯著，且抗風、傳導荷載能力等方面均比其他結構要優越。

在建筑結構中應用剪力墻結構，需要剪力墻結構符合建筑整體布局和平面結構，同時剪力墻結構也是建筑物的“隔離墻”，是整個建筑中主要承載部分。眾所周知，剪力墻結構具有空間小的特點，因此在使用剪力墻結構時，一般而言會以混凝土結構作為樓層蓋板，這種設計不僅能節約樓高，而且還能提高建筑空間的利用率。

在高層建筑中剪力墻結構廣泛應用，另外一個重要原因在于，剪力墻結構的抗側力性能與承載性能良好。不過，世界上沒有完美的結構，剪力墻結構的不足之處也是顯而易見的，比如空間間距限制大、建筑物設計靈敏度和不適用于大型建筑物等。

3 剪力墻的分類及特點

剪力墻結構屬于建立墻體的一種，也就是建筑墻肢截面高度與厚度比值在5~8之間，同時也是用鋼筋混凝土板替代建筑物承受水平、豎向荷載力的墻體。在上面的論述中已經提到，剪力墻結構墻面平整、承重力強、抗側剛度大，在高層建筑中廣泛應用，但是并不意味著其適用于全部建筑結構：第一，剪力墻結構造價高，工藝復雜；第二，建筑過多使用建筑剪力墻結構，建筑物質量會嚴重受損，影響建筑物的壽命[4]。

另外，在設計剪力墻結構時，還要充分考慮抗震能力，并準確把握其承受地震傾覆力矩與結構所承受的地震力矩間的比值。嚴格控制剪力墻結構數量，將減輕力矩控制在15~40范圍以內[5]。

當前，剪力墻分為四種，而分類的依據使剪力墻墻體開洞與否或開洞的大小。

一是實體墻。它是一種開洞或無開洞墻體結構，如果開洞，則開洞面積＜15%，這種實體墻為曲型變形，不存在彎點，不會發生突變。

二是小開口的剪力墻。開洞面積占整個墻體15%以下的墻體稱之為小開口剪力墻，這種剪力墻的受力特點是：連梁處發生突變的可能性大，但墻體彎矩圖無彎點。并

三是雙肢或多肢剪力墻。這種剪力墻是指開洞面積較大或墻體洞口呈列狀分布的墻體，與整體小開口剪力墻的受力特點極其相似。

四是壁式框架剪力墻。這種剪力墻是指墻體開洞較大、墻肢線上與墻體連線上剛度比較接近；剪力墻的受力特點與其他結構不同，在彎矩圖處會出現突變，但是在建筑多數樓層內不會產生突變。

4 剪力墻結構優化布置原則

在進行剪力墻結構優化布置時，需要遵循以下幾個方面的原則：

一是具體問題具體分析原則。在應用建筑剪力墻結構時，需要根據工程的實際情況運用，而不能一味使用剪力墻，通過實地考察等，確定剪力墻結構使用的數量、規模等，避免過度使用。

二是安全性原則。在建筑中使用剪力墻結構，要遵循安全原則，使用剪力墻結構后建筑結構應更加牢固和安全。剪力墻結構對于提升結構抗震性能具有重要意義，因此需要遵循安全性原則。

三是嚴格規范原則。在進行剪力墻結構優化布置是，要遵循嚴格遵循規范原則，剪力墻結構設計要遵循相關規范、標準和規定等，提升剪力墻結構應用的實際效果。

5 工程結構剪力墻部分的優化

5.1 剪力墻結構優化設計

剪力墻結構的長度、寬度，均要大于厚度，按照構件設計要求，在結構設計中要使用不同的長度與厚度。根據剪力墻結構厚度規定，符合一級、二級抗震時，其厚度超過20cm，樓層高度≥1/16[6]。而為了保證結構連接，降低墻體厚度，則需要在設計過程中，根據設計規范和要求，嚴格控制墻肢軸壓比例。

5.2 剪力墻結構優化計算

剪力墻結構的優化計算：調整建筑物層間最小剪力系數，在不超過規定系數范圍內，盡量少使用剪力墻結構，并嚴格控制層間剪力系數；二是遵循剪力墻連梁超限調整原則，在設計過程中，按照結構設計標準，將連梁跨高比值＞2.5，對于易出現框架梁的部位，可用連梁方式進行建設。

6 剪力墻優化及分析對比

剪力墻結構首先在平面布置中有著很好的應用，在平面中應用，要遵循對稱、均勻原則，合理布局墻面結構剛度與質量重點，減少彎矩[7]。而在內外剪力墻中應用，則不應采用單項有墻布置形式。

在進行構件設計時，嚴格按照級別和類型分析剪力墻軸壓比，合理選擇邊緣構件。同時，分析剪力墻鋼筋，比如二級地震建筑使用鋼筋與一級建筑使用鋼筋不同。另外，這對于約束邊緣構件的處理上，應將無約束邊緣矩形界面劑極限承載力降低40%，從而降低對墻面穩定性的不良影響。

通過比較分析可知，在建筑中特別是高層建筑中使用剪力墻結構，結構的穩定性增強，抗震性能提高，建筑性能更加穩固。

7 結語

隨著我國新型城鎮化進程的加快，剪力墻結構在高層建筑中得到了廣泛的應用，提高了建筑結構的強度，使建筑可更好發揮其性能。但是建筑剪力墻結構也存在明顯的不足，就是調整的靈活性小。為了更好提高建筑剪力墻結構在建筑中的應用，需要根據工程實際，對剪力墻結構進行優化設計。文章從建筑剪力墻結構概念、分類、優化設計原則和分析比較等方面探討了該命題，認為優化設計后的建筑剪力墻結構值得在建筑結構中進一步推廣和應用。

[1]劉劍.高層建筑剪力墻結構優化設計探討[J].技術與市場,2011,05:50+52.

[2]賀海斌,朱學文.高層剪力墻結構中剪力墻抗側剛度的優化設計研究[J].工程建設與設計,2011,09:58-61.

[3]陳耀.高層建筑剪力墻結構優化設計分析探討[J].福建建材,2011,04:36-37+39.