高層建筑混凝土剪力墻結構設計分析

劉福旺

（廣州市城市更新規劃研究院）

1 引言

目前隨著我國城市建設快速發展，新建高層建筑越來越多，為滿足抗震等多方面的要求，新的結構形式不斷發展，其中剪力墻結構被廣泛用于高層住宅。剪力墻結構由縱、橫鋼筋混凝土墻承受豎向荷載、抵抗側向力，通過合理的結構設計可獲得良好的抗震性能，可避免在室內露出梁柱，確保建筑美觀、使用方便。加強高層建筑混凝土剪力墻結構設計的研究分析具有重要的現實意義。

2 高層建筑混凝土剪力墻結構概念分析

混凝土剪力墻是一種鋼筋混凝土結構墻體，利用建筑外墻和內墻隔墻位置布置。側向力在墻體中產生水平剪力和彎矩，豎向荷載在墻體中產生向下的壓力。這種墻體具有承受水平力（水平剪力）的較強能力，因此被稱為剪力墻。剪力墻的高度一般與整個建筑物的高度相同，從地基到屋頂。在立面上，剪力墻常被開動，因為建筑物要經常開門開窗，通過管道。此時，應盡量將洞口上下對齊，排列規則，使洞與相鄰洞之間形成墻肢，在上下洞之間形成橫梁。采用規則開孔的剪力墻布置配筋容易，效果明顯，經濟指標較好。但是錯孔剪力墻往往比較復雜，在孔邊容易產生應力集中。地震容易被地震破壞，無法充分發揮鋼筋的作用。

3 分析高層建筑結構受力

水平以及垂直方向的外力是高層建筑的主要受力。多層建筑由于其高度和寬度相對較小，平面尺寸較大，結構高度較低，受到地震影響也相對較小，因此，在多層建筑中，主要考慮的是如何抵抗垂直的負荷。但是，建筑物高度的增加的同時，建筑物的應力特性也在逐漸改變。在設計中，主要考慮垂直荷載、側向荷載、結構延性等。

3.1 垂直載荷

豎向荷載由靜豎向荷載和活豎向荷載組成，對建筑物的質量與安全性影響巨大，是高層建筑的基本荷載。靜荷載有結構荷載和各種附屬于建筑物的永久荷載構成，這其中結構荷載是主要部分，約占到靜荷載總量的60～80%。活荷載是指建筑物中人員、家具等能夠改變和移動的物體造成的非永久荷載。高層建筑墻柱的軸力與建筑物的高度成正比，由此，由于高度的增加，建筑層數越多，對于底層墻、柱的壓力就越大，因而要重視由此產生的地基沉降效應以及壓力變形。

3.2 側向負載

對于高層建筑，某一高度范圍內的豎向荷載基本固定，但地震和風荷載作用下的側向荷載值會與建筑結構的動力特性產生較大差異的影響和變化。

3.3 結構延性

與多層建筑相比，高層建筑遇到地震時的變形要大得多。因而一定要采取一定的措施來確保結構延性，以此來保證高層建筑物在塑性變形階段仍然具有很強的變形能力。箍筋約束法就是行之有效的方法，箍筋約束是近年來研究最多的問題。據調查，許多建筑由于箍筋不足或失效而被地震作用破壞。增加箍筋、提高箍筋率可以提高墻體柱的延性和抗震性能，并通過大量的試驗和震害案例進行了驗證。

3.4 側向位移

高層建筑結構設計的關鍵是對結構側向位移的控制。此外，隨著建筑高度的逐漸增加，結構在側向位移作用下的形變會隨著建筑高度的增加而迅速增加。為保證結構的安全與使用的舒適，必須嚴格控制橫向荷載作用下發生的側向位移。這個控制的實質就是對于結構截面以及剛度的控制，需要設計人員根據規范的要求調整豎向構件（柱，墻）的面積和布置，然后進行抗震驗算。若是不符合規范，需要繼續調整。

4 高層混凝土剪力墻結構優化方案

4.1 底層框架柱布置

如果采用底部框架剪力墻的結構，底部轉換柱的柱距不能夠太大，8m以內是比較好的控制，為了盡量避免二次轉換，最多只能夠在一根框架梁上設置一扇非落地的剪力墻。在功能方面，底部框架剪力墻的民用建筑大多是商業建筑，上部結構可分為兩個開間，無論上層建筑用于辦公或住宅，其上部結構所對應的開建的尺寸都能夠滿足這個使用功能。同時，考慮到大框架梁的高度一般為梁跨的1/8～1/5，如果柱間距過大，則梁截面及其配筋率將超過極限，也很容易出現梁的剪力、彎矩超限，造成嚴重的安全隱患。

4.2 連梁設計

作為一件耗能構件，如果剪力墻連梁被剪切破壞，就會對于建筑物的防震抗震非常不利，并且大大降低結構的延性。因此要非常重視對于連梁的強剪弱彎計算，以保證連梁的剪切破壞晚于彎曲破壞。一定不能人為加大連梁的縱筋，這會導致難以滿足連梁強剪弱彎的要求。同時也不能一味的增加箍筋，如果連梁的結構控制條件沒有被滿足，盲目的提高箍筋率會導致剪切破壞發生在箍筋尚未產生作用之前。而針對連梁截面的抗剪計算，對于那些跨髙比大于2.5的連梁，把它的剪力設計值乘以增大系數是必須的。

4.3 長墻肢的處理

髙層建筑剪力墻的結構還必須具備足夠的展延性，特別是對于具有細高形狀的剪力墻，即具有較好的延性和彎曲破壞性能，從而可以避免脆性剪切破壞。然而，在長墻肢的情況下，為了滿足每個壁的每個截面的高度與寬度之比都超過二，就需要采用開洞的方法，以此來把長墻分割，稱為一段段小而均勻的墻段。另外，當墻體截面長度較小時，由于彎曲引起的裂縫寬度相對較小，因此可以充分發揮箍筋對于剪力墻的加固效果。

4.4 混凝土剪力墻鋼含量合理設計

這種結構的特點是既有鋼結構重量輕，抗震性能好等優點，也有混凝土結構剛度大，防火性能好，成本低的優點，所以近年來高層建筑結構得到了迅速發展。對于普通住宅建筑而言，其用鋼量一般如下：①多層砌體住宅：鋼筋 30kg/m2；②多層框架：鋼筋 38～42kg/m2；③小高層 11～12層：鋼筋 50～52kg/m2；④高層 17～18 層：鋼筋 54～60kg/m2；⑤高層：30 層H＞94m：鋼筋65～75kg/m2；⑥高層酒店式公寓28層H＞90m：鋼筋65～70kg/m2。設計應該根據建筑類型合理設計合乎規范，經濟的混凝土剪力墻結構建筑物。

5 結論

總之，高層建筑混凝土剪力墻通常用于住宅建筑。優化其結構非常重要。有必要確保住房的安全系數并節省經濟成本。本文分析了高層鋼筋混凝土剪力墻結構概念，高層建筑的受力分析，混凝土剪力墻的豎向優化設計，鋼筋混凝土剪力，高層鋼筋混凝土剪力墻結構優化方案。通過合理的結構布置設計，概念優化，設計出安全、經濟、適用的建筑，使建筑物節約資源，保護環境并降低成本。

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