淺談高建筑剪力墻結構優化設計

崔蕾

【摘要】本文分析了高層建筑建筑的分類和剪力墻結構設計的的重要性，并著重介紹了剪力墻結構的特點及結構布置原則，并對剪力墻結構的設計和計算分析中應注意的問題進行了探討。

【關鍵詞】高層建筑；剪力墻結構；優化設計

前言：剪力墻結構體系是指利用建筑物墻體作為建筑的豎向承重體系，并用它抵抗水平力的結構體系。在受力方面，因為剪力墻的剛度大，容易滿足小震作用下結構尤其是高層結構的位移限值。在地震作用下，其變形小，破壞程度低，可以設計成延性剪力墻，大震時通過連梁和墻肢底部的塑性鉸范圍內的塑性變形耗散地震能量。這種體系在高層住宅、公寓和旅館建筑中廣泛應用。所以有必要對剪力墻結構進行合理設計以滿足安全、經濟、合理的要求。

一、 高層建筑結構的分類

高層建筑按照其使用材料的不同，可分為砌體結構、混凝土結構、鋼結構以及鋼-混凝土組合結構四類。

1. 砌體結構

砌體材料是一種脆性材料，其抗拉、抗彎、抗剪強度都比較低、抗震能力差等特點，于是高層建筑中很少采用這種無筋砌體結構。若在砌體中配上鋼筋，就可改善砌體的受力性能，這樣就能在地震區或非地震區的中高層建筑中得到應用。

2. 混凝土結構

混凝土結構具有取材方便、良好的耐火性和耐久性、較大的承載能力，良好的剛度、節約鋼材、造價低、良好的可模性以及可澆筑形狀復雜的截面等優點，而且經過合理設計的現澆整體式混凝土結構具有良好的抗震性。由于可對混凝土結構靈活布置，組成不同類型的受力結構體系，因此廣泛應用于現代高層建筑中。尤其是高層建筑中以混凝土結構為主的我國以及一些發展中國家。

3. 鋼結構

鋼結構以材料強度高、截面小、自重輕、良好的塑性和韌性、制造工藝簡單、施工周期短、良好的抗震性等優點，在高層建筑中也有廣泛應用。近些年，隨著鋼產量的大幅度提高和高層建筑高度的不斷增加，對鋼結構應用的高層建筑也越來越多。尤其是那些地基條件差或抗震要求高而又較高的高層建筑，就特別合適采用此結構。

4. 鋼—混凝土結構

鋼—混凝土結構以其鋼結構自重輕、截面小、施工快、抗震好等優點以及兼有混凝土結構剛度大、防火性能好以及造價低廉的優點，被認為高層建筑結構中較好的結構形式，在我國得到迅速發展。該結構是將鋼材放置在構件內部，在構件的外部由鋼筋混凝土做成或在鋼管里填充混凝土，然后做成外包構件。

二、剪力墻結構的設計

1.對于剪力墻結構的設計，其應沿著主軸方向雙向或多向布置。不同方向的剪力墻宜聯結在一起，應盡量拉通、對直成為工形、T 形、L 型等有翼緣的墻，形成一定空間結構。抗震設計時，為了使其具有有較好的空間性能，不能單向設置剪力墻。應使兩個受力方向的抗側剛度相近，剪力墻墻肢截面宜簡單、規則。為了能充分利用剪力墻結構的能力，在設計時必須減輕墻體結構的自量、加大空間面積、提高剪力墻的承載力和抗側剛度等。除此之外，剪力墻的布置不能太密，使結構具有適宜的側向剛度。若側向剛度過大，不僅加大自重，還會使地震力增大。

2.剪力墻墻段的要求是需要保持墻體規則、簡單，豎向剛度均勻，門窗孔洞需整齊布置、上下對齊，形成一個明確的剪力墻肢和連梁。剪力墻肢和連梁的應力要分布均勻有規則，也必須符合目前常用的設計計算簡圖。避免剪力墻墻肢上的孔洞剛度差異大。

3.如果剪力墻較長，應先將其平均分成多個墻體，開挖孔洞，各剪力墻之間的鏈接部分采用弱連梁連接的方法。但值得注意的是，在進行抗震設計時，應盡量避免開挖孔洞，并且在兩個孔洞之間形成墻體肢截面高度與厚度比小于 4 的小墻肢。當墻厚大于小墻肢截面的 1/4 時，需按框架柱設計要求對箍筋進行全高加密。

4.當剪力墻結構平面內的剛度和承重力較大，而平面外剛度和承載力相對較小。為了保證剪力墻平面外的穩定性，就應控制剪力墻平面外的彎矩。

5.剪力墻的設置能夠影響到結構的抗側剛度的大小，為避免剛度發生改變，應自下而上連續布置。為了避免墻體剛度發生突變，可沿其高度適當的減少墻體的厚度、降低混凝土強度或者減少一些墻肢等，以使得墻體的側向剛度隨著高度的降低而逐漸減少。

6.對于剪力墻的設計，為確定個剪力墻的厚度，必須滿足軸壓比、位移比、周期比、抗震等級以及層間位移等各個構造要求，剪力墻高度與厚度比見表 1（注：H 為層高或剪力墻無支長度的較小值）。

如果剪力墻高度與厚度之比不能滿足上表時，可按照《高規》中附錄 D 中的方式計算。

三、 結構優化計算

在進行剪力墻結構設計時，根據《高規》或《抗震設計規范》等有關規定，結構布置要合理，比如剪力墻結構設計中它的剛度不能過大。同時在滿足樓層最大層間位移和層高之比的基礎上，確定樓層最小剪力系數，使計算出的數值最接近規范設定值。

控制好高層建筑結構的扭轉剛度為主的第一自振周期Tt與平動為主的自振周期T1之間比值，其A級不能>0.9。在考慮偶然偏心對地震作用影響下，樓層間位移和樓層豎向構件的最大水平位移不能超過該樓層的平均值的 6/5，也不能高于該樓層平均值的 3/2。此外，還應檢測剪力墻連梁是否在規定限制范圍內、剪力墻的底部加強區的軸壓之比是否滿足設計規范要求。

1. 調整樓層最小剪力系數的原則

短肢剪力墻承受力應滿足的條件是，在地震傾覆力矩的第一振動模式為不超過 40%的前提下，盡量減少剪力墻的設置數量，以有較大的空間的剪力墻布局為目標，使結構具有適當的側向剛度，最大限度地減少樓層最小剪力系數，使其接近（或不小于）規格限制。以減輕重量，減小地震作用的輸入，降低工程造價。

2. 調整層高和樓層最大位移比的原則

根據現有我國高層建筑設計規范規定，在對高層建筑設計時應盡量減少扭曲變形。在增加熟悉構件剛度時要綜合考慮，不能只考慮層間位移。而在實際工程設計中，有些設計者當看到層間位移比不能滿足設計要求時，就急于增加構件的側向剛度，但沒有注意到這時結構的剪重比。若接近規范限制數值時可行，反之不可行。在剪重比較大的情況下，應減小相應側的結構剛度，減少地震作用，也可達到較好的效果。

3. 結構側向剛度和抗扭剛度的調整原則

（1）保證結構平面的規則性，為了減小結構的扭轉效應，在計算建筑結構的扭轉效應時，必須充分考慮偶然偏心力對結構的影響。

（2）結構扭轉自震周期與平動自震周期比的調整原則。

根據眾多地震災害房屋受損情況研究表明，高層建筑結構設計平面不規則、抗扭曲力弱等房屋破壞最為嚴重。所以在設計時，必須保證建筑的有較強的抗扭曲能力，保證建筑結構的平面規則性。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，這樣即可以提高結構的側向剛度，同時又能夠較大幅度的提高結構的抗扭剛度。若在結構的形心附近加大豎向構件剛度，則對側向剛度的貢獻大而對結構整體的抗扭剛度貢獻甚微。

四、 結語

目前在高層建筑中剪力墻結構設計呈多樣化的趨勢，掌握合理的、安全的設計方法是需要我們靈活運用概念設計再結合實際需要把握剪力墻結構設計的整體設計效果，做到既體現設計的經濟性又保證了設計的安全性。

參考文獻：

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[2]曹楊，李杰.雙連梁短肢剪力墻結構非線性損傷分析[J].同濟大學學報，2007.