高層建筑剪力墻結構的優化設計研究

劉 勇

湖北蒲紡建筑設計有限責任公司

高層建筑剪力墻結構的優化設計研究

劉 勇

湖北蒲紡建筑設計有限責任公司

對于高層建筑而言，其具有結構自由度和分析量大等特點。剪力墻作為建筑墻體設計過程中比較常用的方式，可以起到非常好的牢固性作用。在剪力墻結構系統中，對上層砌體結構優化設計是關鍵。在高層建筑中，要合理地進行承重設計才能保證整體建筑的安全，為了達到這一目的，混凝土剪力墻結構在高層建筑中被普遍應用。為了提高建筑質量，使高層建筑的安全系數得到明顯提高，剪力墻結構的優化設計發揮著重要的作用。

高層建筑；剪力墻結構；設計；優化

前言

高層建筑中的剪力墻結構應用，一方面應當緊跟建筑物布局，另一方面要滿足建筑平面結構建設要求。事實上，剪力墻結構在高層建筑中只是組成構件，具有抗風、抗震和荷載力傳到等功能，可以作為高層建筑的隔離墻，在高層建筑中是非常重要的承載體。

1　工程概況

某建筑B1住宅樓的基本情況列舉如下：建筑總面積達到5102m2，建筑物總長度達到47.2m，寬度為16.0m，房屋總高度為32.1m。建筑分為地上與地下部分，地下層高為3.8m，地上總共設置了十層，除了地上一層高度為4.2m，其余全部為3.1m。該建筑抗震設防烈度為硼度，而且地震加速度為0.2g，建筑物安全等級劃分為二級標準，剪力墻防震等級為二級。

2　剪力墻結構方案設計

此建筑中剪力墻的設計應遵循一致統一的原則，整體布局基本協調，其中屋面層部位有部分突出現象。在對剪力墻結構進行優化設計中，對豎向剛度主要是進行分段式改變結構的尺寸以及調整混凝土的強度等級加以實現的。為了使建筑質量保持相互協調，給施工人員的施工帶來一定的便利，調整的次數應盡可能地少，但單從結構受力方面來考慮，若調整次數太少的話則會使得剛度突變的程度較大，從而影響建筑結構的安全等級。設計人員通過綜合權衡后，將混凝土強度等級的調整與結構構件尺寸的改變分開進行施工，這樣可防止剛度變化的過分集中。若采取此種結構布局，混凝土的強度等級應從上到下逐級遞增，可提高建筑物的抗震等級。

3　剪力墻結構優化對比分析

通過對剪力墻結構的優化設計，大大增強了施工的成效性，為了便于研究人員對方案進行改進與完善，需要對優化設計與原有設計進行綜合比對，具體表現如下：①樓層的側移剛度。在剪力墻所包含的眾多內容中，樓層側移是最為關鍵的部分。通過優化設計使得剪力墻施工中材料比之前節省了很多，側移剛度的特性與原有結構設計基本相同，質量安全均達標。②樓層之間位移角的比對分析。在對該方面進行比對時，主要依據的是相關規范管理條例進行嚴格對照的，對前后兩者之間建筑物質量方面進行權衡。③地震反應力與減震比之間的有效比對。④周期比的比對分析。通過以上四個層面的綜合比對，得知建筑結構通過優化設計之后，高層建筑的質量不僅得到了顯著地提升，而且在滿足相關施工要求的基礎上，也可為企業節省一定的費用。

4　剪力墻結構優化設計方法

4.1優化墻體的配筋設計

在對墻體配筋部位進行優化設計中，應注意挑選性價比較高的材料。材料對施工質量有著直接的影響性，若在施工中劣質材料過多或者質量不符合要求的材料進行施工，無疑會加大施工的難度，也使質量得不到有效保障。因此材料的選擇很關鍵，在眾多的材料中鋼筋材料是首選。在購買鋼筋時，要從正規的生產廠家處購買，施工人員需對所購買的鋼筋進行全面檢查，確保無誤后方可進行施工區域。在剪力墻結構墻體配筋中，通常水平鋼筋應置于外側，而垂直鋼筋置于內側，這主要是由于地下水壓的不均衡而造成的。按照相關要求所制定的剪力墻設計，在滿足施工要求的基礎上，能夠盡可能地節省成本費用，達到最優化設計。

4.2重視轉換層結構設計

隨著人們生活水平的不斷提高，在物質生活得到滿足的同時，對精神層面的需求也在不斷加大，對高層建筑的設計理念以及使用功能上有了一定的要求。一般而言，高層建筑的上層與下部的使用功能也是不盡相同的，所以，在結構布置方面也應采取一定的變化，設置轉換層結構以滿足設計需求。若轉換在高空進行實施的話，則不僅會加大工作難度而且也比較危險，所以設計時施工人員應提高警惕，引起足夠的重視。因為高位轉換時會受到多方面因素的影響，適當調整轉換層的剛度比則顯得尤為重要，而且轉換層的剛度與質量要處于可控范圍內，借助水平力的作用使得轉換層之間的位移角處于均勻狀態。通過計算對轉換層中的薄弱環節進行有效比對，找出內力分配特征，尋求有效的解決策略對薄弱區域進行強化，提高其穩定性。

4.3剪力墻結構的均衡設計

在進行高層建筑剪力墻結構均衡設計過程中，切勿盲目進行施工，而應由專業人員經過全方位協商后提出有效的解決策略，使得剪力墻結構的受力處于均勻狀態，這樣做一方面可增強施工的安全等級，另一方面，也能在滿足施工要求的基礎上盡可能地節省開支。剪力墻結構的科學有效設計，可通過建筑物的平面布局加以完成，設計人員應對可能出現的情況進行分析，尋求最優化的剪力墻結構設計方案。此外為了確保后續施工的順利實施，制定出切實可行的安全管理條例，也是必不可少的一個環節。做好日常的監督與管理工，強化施工人員的責任意識，用嚴格的制度去約束施工人員在施工中嚴格按照設計圖紙的相關要求有效施工，增強施工的成效性。

4.4底部加強部位的設計優化

建筑工程中，底部也是一個薄弱區域，應對其進行強化處理。底部加強部位的高度，可根據墻肢總高度的一定比例并結合底部兩層高度之間的距離進行綜合權衡。對帶有轉換層的底部建筑物結構來說，剪力墻底部加強部位的高度，主要由框支加上框支層高度的一定比例來決定的。如果地下室頂板作為嵌固部位，則地上樓層將是地震作用最明顯的部位，地上樓層的作用必然會帶動地下一層的波動，因此地下一層的抗震等級也應符合相應的要求進行有效施工，提高其強度。

結語

總而言之，剪力墻結構體系在高層建筑中的使用非常廣泛，是因為這種結構體系在建筑方面具有更高的可操作性，而且在質量上也有可靠的保證。所以為了更好地利用剪力墻結構體系，使得剪力墻結構體系的優勢得到更大地發揮，在結構設計上進行優化，掌握好各種因素對結構的影響，從而進行結構的科學合理布置和方案的設計實施。

［1］石小燕.高層剪力墻結構優化設計之探討［J］.建筑科學， 2012， 28（7）.

［2］孫文麗.基于最優抗側剛度的高層剪力墻結構經濟性指標分析［D］.青島理工大學， 2014.