高層建筑剪力墻結構優化設計分析探討

【摘要】在市場經濟高度發達的今天，如何優化結構設計，在保證質量的前提下降低建設成本，是建設單位關注的核心問題，也是設計單位提升自身設計水平中必須面對的問題。本文對高層建筑剪力墻結構優化設計進行了探討。

【關鍵詞】高層建筑；剪力墻結構；優化設計；措施

在高層建筑中，剪力墻結構的應用已體現出很大的優勢，在滿足建筑最基本的使用功能的前提下，還能夠實現人們日益增長的個性化需求、工程經濟性需求和耐久性的需求。

一、剪力墻結構設計的基本原則

1、 調整樓層最小剪力系數方面的原則

在剪力墻的設計中對于其構件盡可能的減少布置，其中最佳的設計方案就是進行大開間剪力墻結構的布置，使得側向剛度結構能夠達到最好的狀態。同時，樓層間的剪力系數也要確保較小，但是不能超過相關規范規定的范圍。在規定的水平地震作用下，將短肢剪力墻承受的底部傾覆力矩和結構底部總傾覆力矩的比值控制在30%以內，這樣不但能夠將結構自身的重量減小，并且還能減少地震所帶來的損害，可節約成本。

2、 調整樓層間最大位移與層高之比方面的原則

在對規范規定的最大樓層間的位移進行計算時，假如建筑所處地區出現地震的情況比較多，對樓層的標準值在進行計算時可以將結構的整體彎曲變形進行保留，在以彎曲變形為主的建筑中需要計入扭轉變形。在高層建筑設計中重點需要考慮的就是樓層間的剪切變形以及扭轉變形。結構的剪切變形主要是通過豎向構件的數量進行確定的，在實際的工程中，有很多構件還是很難滿足的，同時還需要加強對構件的合理布局，如果布局不合理，就會導致產生扭轉變形，那么樓層間的位移就很難達到要求。

3、調整剪力墻結構連梁超筋方面的原則

剪力墻結構的連梁跨高比如果太小就會出現彎矩和剪力過大的情況，這樣就超過了相關規范限度，跨高比一般不小于2.5，當結構布置受限時，可考慮設置雙連梁。按照相關規定的要求，在跨高比小于5 時，連續梁是不能進行折減的，對跨高比的合理選擇能夠有效的避免剪力和彎矩過量。在結構布置中有效控制連梁跨高比，就能夠在一定程度上降低工程成本。

二、高層建筑剪力墻結構優化設計的措施

1、剪力墻連梁的設計

當剪力墻承受水平荷載時，墻肢就有可能產生扭曲變形，連梁對于墻肢的水平力能夠平衡，在一定意義上能夠改善墻肢的受力狀態，對墻肢能起到約束的作用。因此，在連梁設計時，需要對連梁剛度以及高度進行適當的折減，有效增加跨度以此降低結構的剛度，有效緩解地震對剪力墻的影響。除此之外，為了能夠有效提高結構的抗震性能以及承載力，也可以適當的增加剪力墻的厚度，增加連梁截面，使連梁的作用得到最大限度發揮。

2、 剪力墻結構的布置

一般而言，鋼筋混凝土剪力墻結構的載荷通常來自于風載荷、豎向載荷以及水平地震力等。剪力墻結構的布置，首先要考慮建筑功能需求，合理確定結構軸線，在此基礎上使剪力墻均勻的布置在建筑物的平面和豎向位置，理論上滿足平面方向抗側剛度接近、豎向則剛度連續。

2.1剪力墻結構的豎向布置

首先要考慮豎向構件的布置，同時要保證結構的對稱性要求，為避免較為嚴重的扭轉效應出現，應著重做好以下方面：

（1） 保證剪力墻結構體系整體剛度。若是無控制性的增加剪力墻結構剛度，雖然能夠縮短工期，但會使地震力增大，其后果勢必會造成連梁超筋、墻肢部位抗剪性能下降，增加成本。

（2） 結構中要避免獨立小墻肢的出現。因為獨立墻肢會增加施工難度，結構設計中可采用合理布置剪力墻以及合并洞口的方式。盡管短肢剪力墻結構能夠降低結構的自重，極大提高結構布置的靈活性，但對于結構的抗震性能還是有影響的，不利于保障建筑結構的穩定和安全，對于短肢剪力墻結構要做好合理選擇。同時，規范對于短肢剪力墻在抗震等級、最小配筋率等方面較常規剪力墻有更嚴格的規定，在一定意義上無形中增加了結構成本。

（3） 剪力墻結構的布置應盡量選用帶翼緣的T 形和L 形墻肢，并控制好墻肢的軸壓比，增加縱向鋼筋和箍筋的配筋率，從而增強墻肢抗震能力。一字形墻與梁垂直相交時，常常因為梁支座負彎矩筋錨固長度的問題，造成暗柱數量增加及梁配筋過密等問題，增加結構成本，并且施工困難。

（4） 剪力墻結構的布置要避免樓面主梁直接搭在剪力墻上，如果必須要布置的話，要在剪力墻的合理位置放置暗梁。此外，連梁作為一種耗能構件，可能在地震情況下破壞，在布置樓面梁時，應避免將樓面梁支承在連梁上。

2.2剪力墻結構的平面布置

剪力墻結構的平面布置方式應該簡單易行，雙向布置，長度應合理，如果剪力墻較長，應采用設置連梁的方式將其劃分為均勻的墻段，墻段長度應小于8 m，每個墻段的高度與長度比以大于3 為宜。剪力墻不應布置的過密，以降低結構的自重。如果墻段長度超過了8 m，應采取以下的處理方法：

（1） 為了保障墻體的延性，可在墻上設置結構洞。

（2） 為了避免在地震作用下超長墻體首先發生破壞，周邊其他的墻體的承載力要足夠大，在計算周邊其他墻體和暗柱配筋時把超長墻作斷開處理。豎向的剪力墻布置，應遵循從下到上連續布置的方式，使門窗、洞口對齊成列，避免存在洞口寬度懸殊以及疊合錯洞現象。如果不能避免錯洞，則要利用有限元法進行嚴謹的計算，并于洞口四周采取有效的加強措施。

3、底部加強部位設計

在剪力墻結構設計過程中，對于普通的高層剪力墻結構，在進行結構設計時，可將底部兩層高度與嵌固部位以上墻肢總高度的1 /10這兩個數值中的較大值作為底部加強部位應有的高度。如果高層建筑結構的底部附帶有轉換層，應從地下室頂板算起，根據墻肢總高度的1 /10 與框支層加上框支層以上2 層的高度這兩個數值中，選擇較大值作為剪力墻底部加強部位應有的高度。

4、 重視轉換層結構設計

當前，高層建筑結構越來越多樣化和復雜化，對于有些高層建筑樓層的上部和下部分別具有不同的使用功能時，就應該通過添加相應的轉換構件的方式，改變結構布置，使得上下結構之間形成良好的銜接，設置有轉換構件的樓層即是轉換層。在進行結構設計時，應盡量采取截面較小和剛度較小的轉換結構形式，對于結構內部存在的薄弱部位和環節要認真分析研究，根據具體的結構內力分配特點來調整構件配件和內力設計，從而提高薄弱部位的整體性能。

5、 其他應注意的問題

對于開間比較大的客廳現澆板，板厚在滿足結構要求外，也要將舒適度考慮進去，樓蓋豎向自振頻率要控制好，滿足規范要求。臥室、客廳中梁的布置要結合建筑的使用功能，保持建筑的整體美觀，同時避免壓頭梁，避免梁位于門洞上。

在設計中，要嚴格控制梁板的混凝土強度等級，以滿足規范要求為宜，因混凝土強度等級對最小配筋率有影響，對于高層結構中量大面廣的梁板來說，微小的調整將對整體造價產生明顯的影響，建議采用豎向分段的方法進行設計，以控制用鋼量，滿足市場需求。

總之，合理的應用剪力墻結構，將有效的提高高層建筑物的抗側剛度，同時有效的強化高層建筑物的整體質量及抗震性能，采用合理的設計方法降低結構成本，有利于推動建筑行業的蓬勃發展。

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