剪力墻結構的優化設計分析

王磊

摘要：最近幾年，我國高層建筑物在許多的城市中建設的越來越多，其規模也越來越大，剪力墻結構的抗側剛度非常大，其豎向的承載力也非常大，所以，其在高層建筑物建設中的應用也越來越普遍了。本文主要講述了剪力墻結構設計的優化原則，并對剪力墻結構設計進行優化分析。

關鍵詞：剪力墻結構；優化設計；分析

中圖分類號：TU973.16 文獻標識碼：A 文章編號：1674—3024（2016）11—157—02

前言

剪力墻結構是用鋼筋混凝土墻板來代替框架結構中的梁柱，能承擔各類荷載引起的內力，并能有效控制結構的水平力，這種用鋼筋混凝土墻板來承受豎向和水平力的結構稱為剪力墻結構。這種結構在高層房屋中被大量運用。在整個剪力墻結構設計中，了解剪力墻的分類以及受力形式，并在設計過程中，運用一些可靠且有效的優化原則，對于剪力墻結構優化設計來說是十分重要的。

1高層建筑剪力墻的分類

剪力墻根據是否開洞以及開洞的大小可以分為以下幾個類型。

1.1實體墻

實體墻就是指沒有開洞或者開洞的面積小于整個墻體面積15%的墻體。其具有懸臂墻的受力的特點。其彎矩圖是沒有突變，也沒有拐點，整個墻體的變形是以彎曲型為主。

1.2整體的小開口剪力墻

主要指孔的面積占15%以上的整堵墻區域，但仍然屬于小面積的洞墻，其力學特性結合梁的彎矩圖突變，在高度上沒有拐點，或只是在個別建筑物的樓層有一個拐點。

1.3雙脂肢或者多肢剪力墻

所謂的雙肢或者多肢剪力墻主要是說開洞比較大的或者洞口成列布置的墻體。它的受力特點是和整體的小開口的剪力墻相類似的。

1.4壁式框架

壁式框架是指孔洞的規模相對較大，而連接梁線的剛度和墻肢線的剛度比較接近的墻體。其力學特性是彎矩圖在樓層地方發生突變，并將在大多數樓層地板中出現拐點。

2剪力墻結構設計優化的原則

2.1墻面承載力與剛度合乎標準

在建筑工程的設計中，其剪力墻平面內外的承載力和剛度一定要達到建筑工程所需要的標準，也就是說一定要保證剪力墻平面的外承載力和剛度要比內承載力和剛度要小一些。建筑工程項目在建設施工的時候，梁體和平面外方向的剪力墻一般是用單側的連接方式來進行連接的。這會使得墻肢平面外產生彎矩。但在一般的情況下設計施工時常出現墻的承載力與剛度不足的現象，所以除特殊要求外，一般采用墻平面外部單側的連接方式，使用這種方式時為保證剪力墻平面外的穩定性，必須對其方法進行改進。

2.2樓層間剪力系數為最小

實際操作過程，必須保證樓層間剪力系數為最小，這樣做可以有效降低建筑物重量，提升建筑物的抗震性，防止安全隱患的發生。在設計與施工的過程中，設計人員要按照剪力墻承受力矩的大小來調整樓層剪力系數，以保證剪力系數為最小。同時，也要在保證施工質量的前提下，盡量減少使用剪力墻。通過對剪力墻側向剛度的增加可以有效降低工程的施工成本，在給客戶降低成本的同時杜絕資源浪費。

2.3樓層層高比與樓層間位移最大化

實際操作中，通常會采用合理的方案調整樓層之間的位移與層高比，用來保證樓層層高比和樓層間位移的最大化。剪力墻在進行結構設計位移計算過程中對建筑結構的變形并沒有計算在內，與傳統建筑相比它的位移關鍵點在于樓層間的彎曲與變形。一般說來樓層間比較容易產生的是扭轉與剪切。剪切主要是由于建筑物中豎向構件的原因構成的。這就要求我們必須根據建筑物的實際情況對豎向構件進行調整，在保證豎向構件數量的同時，保證樓層間不出現扭轉變形或減小其變形程度。這就要求在真實的施工中，必須對樓層間位移最大化和層高比進行實時的檢測，防止或降低扭轉現象的發生，這樣可以整體提升建筑物的安全性。

2.4連梁結構的限額調整.

剪力墻連梁的設計跨高比必須超過2.5，如果無法超出該數值，將會使剪力墻連梁的剪力與彎矩超出合理要求，這是產生安全隱患的誘因。當剪力墻連梁的跨高比過大時，同樣也會產生安全隱患，同樣也會使剪力與彎矩超出合理要求。所以，我們在實際操作時，剪力墻在進行結構設計過程中必須保證做到連梁可以進行限額調整，這樣不但可以提升建筑物穩定性，還可以保證其質量與施工的效率，這也是合理降低施工成本的重點之一。

3高層建筑剪力墻結構優化設計

高層建筑剪力墻結構優化設計需要許多方面工作的支持。以下從優化結構布置、確保結構均勻、合理開設洞口、進行結構分析等方面出發，對高層建筑剪力墻結構優化設計進行了分析。

3.1優化結構布置

高層建筑剪力墻結構優化首先應當著眼于結構布置的優化。設計人員在優化結構布置時首先應當確保剪力墻是沿著主軸方向或者是其他方向來進行雙向布置。這一布置在一方面能夠形成良好的空間結構抗震設計，并且還能夠使兩個受力方向的抗側剛度接近，最終使其具有較好的空間工作性能。其次，剪力墻上要求開設門窗洞，因此設計人員在優化結構布置時應當針對剪力墻的抗側剛度較大的特性來進一步充分利用剪力墻的能力，例如設計人員可以減輕結構重量并且以此基礎上增大剪力墻結構的可利用空間。與此同時，設計人員在優化結構布置時應當在滿足樓層最大層間位移與層高之比滿足規范的基礎上進一步提升剪力墻的質量與使用壽命。

3.2確保結構均勻

高層建筑剪力墻結構優化還應當確保結構的均勻性。由于高層建筑按照所用結構材料可以分為鋼筋混凝土結構、鋼結構、砌體結構和混合結構。并且于砌體材料的抗拉強度較低，抵抗水平荷載作用的能力和延性較差，在高層建筑中很少使用。高層結構的基本受力單元包括框架、剪力墻和簡體。伴隨著高層建筑的迅速增加，原來的框架結構因為露梁，露柱現象已逐漸被剪力墻結構所替代。剪力墻是以承受水平荷載為主的豎向構件，其寬度可達幾十米甚至上百米。設計人員在確保結構均勻時應當避免出現墻肢剛度相差過于懸殊的洞口設置，并且當剪力墻的洞口布置出現錯洞問題時設計人員應當通過采取框架形式等不同的方法來迅速的對其進行處理。其次，設計人員在確保結構均勻時應當確保剪力墻能夠自下到上連續布置，從而能夠有效的避免剛度突變問題的出現。與此同時，設計人員在確保結構均勻時可以沿高度來有選擇性的減少部分墻肢，從而能夠避免對于結構抗震產生不利的影響。

3.3合理開設洞口

高層建筑剪力墻結構優化需要合理的開設洞口。工作人員在合理開設洞口時應當將其分成長度較為均勻的若干墻段，并且在這一過程中采用弱連梁來進行連接，這主要是為了能夠確保每個獨立墻段的總高度與其截面高度之比低于3，從而能夠有效的避免剪力墻產生脆性的剪切破壞。其次，由于高層住宅樓通常利用樓梯、電梯及豎向管道井等部位設置剪力墻，形成相對完整的簡體。設計人員在進行抗震設計時應當盡量避免在洞口與墻邊或者是在兩個洞口之間形成墻肢截面高度與厚度之比小于4的小墻肢。與此同時，設計人員在設計小墻肢截面高度小于墻厚的2倍的剪力墻時應當按框架柱來進行設計，并且在這一過程中合理的控制剪力墻平面外的彎矩，從而能夠在此基礎上保證剪力墻平面外的穩定性。

3.4進行結構分析

設計人員在高層建筑剪力墻結構優化時應當進行細致的結構分析。設計人員在進行剪力墻的結構設計時應當首先通過結構分析來滿足最大層間位移、周期比、位移比等重要的結構各項指標。其次，設計人員在進行結構分析時應當考慮到不同抗震等級情況下剪力墻的穩定性和相關構造要求，并且還應當根據《高層建筑混凝土結構技術規程》中的有關規定來進行設計。與此同時，設計人員在進行剪力墻的結構設計時應當根據規范要求綜合考察結構是否合理和剪力墻結構的具體剛度，來最終提升結構整體的穩定性。

4結語

剪力墻作為現代建筑不可或缺的重要組成部分，在進行剪力墻的結構優化設計時，要做到在保證建筑物施工質量的同時，盡量保證剪力墻使用的數量的合理性，優化設計時還要盡可能的采用新技術、新方法與新材料，希望通過對剪力墻優化設計的分析可以為我國建筑行業的發展做出相應的貢獻。