高層建筑鋼筋混凝土剪力墻結構設計的思考

張亨通

（成都基準方中建筑設計有限公司合肥分公司，安徽 合肥 230000）

高層建筑上部與地基應力的連接較弱，所以當建筑受到外部沖擊時，上部結構會發生較大的晃動，同時會承受風力載荷，所以上部結構很容易坍塌，對于居住在上部結構的人來說將面臨更大的危險，即假設高層建筑遭受地震，其上部結構塌陷速度、塌陷程度都遠超下部結構，因此高層建筑的抗震性必須滿足規范要求。而為了使高層建筑抗震性達標，就必須做好剪力墻結構設計工作，對其力學結構、性能進行把控。

1 剪力墻結構受力特征

剪力墻結構在整體上由橫向、縱向剪力墻以及樓蓋組成，其在遭受外力時，兩個剪力墻組成部分在內外都會表現出極大的剛度，相應墻基位移程度很小，說明剪力墻結構在受力條件下具有高抗性特征。剪力墻的受力特征具有強大的適應性，即其面對各種強大且無規則的外力影響時，上部結構會隨著外力方向來變化，盡可能保障自身墻基的穩定性，所以剪力墻結構面對風力載荷以及地震外力時，可以有效抵抗外力影響，且盡可能地延長結構塌陷時間，尤其在樓梯間設置筒子形剪力墻，從而給高層人員逃生提供更多的時間。此外，剪力墻結構無論設計細節如何調整，其都需要遵循緊湊結構的原則，圖1為某小區34層高層建筑剪力墻結構平面布置圖，圖1中可見剪力墻結構非常緊湊，并且在交通核附近設置較多剪力墻結構，俗稱“避難島”方便人員進行逃生[1]。

圖1 高層建筑剪力墻平面布置圖

2 剪力墻結構設計原則

2.1 抗震原則要求

抗震水平是評估高層建筑質量的核心指標，而剪力墻結構就是決定抗震水平的主要因素，所以在設計當中，必須保障剪力墻結構的抗震性表現達標。具體來說，根據國家規范要求，高層建筑抗震水平必須超過地區抗震等級一級，因為地震等級無法被控制，且存在明顯動態性，所以這一要求可以起到“防患于未然”的作用，而剪力墻結構抗震性由其鋼筋混凝土墻板、抗彎性等組成，即剪力墻結構當中，其主要采用鋼筋混凝土墻板來替代常規建筑的梁柱，可以有效承載因外力帶來的內部應力，而抗彎性也與常規建筑不同，其需要相對減弱，實現高適應力[2]。

2.2 質量原則要求

剪力墻結構作為抗震結構，其本身力學結構與性能指標是十分嚴謹的，不能出現太多誤差，而這些要求是評估剪力墻結構本身質量的重要指標，在設計工作當中必須遵循。具體來說，剪力墻結構的質量由材料質量、工藝來決定，對此設計人員要依照抗震設計要求，對材料質量、工藝指標進行選擇與設定。

3 剪力墻結構設計要點

3.1 水平荷載

在設計工作當中，為了保障剪力墻結構水平載荷達標，要先設計初步結構圖像，相應依照自重和其他豎向荷載的關系，進行比值計算，根據計算結果可以看到剪力墻整體結構當中的力學結構分布，相應推斷出當前設計結構中的水平荷載是否平衡且達標。

3.2 軸向變形

在高層建筑的應用當中，其剪力墻結構的豎向自重是產生荷載的重要因素，自重越大則荷載越大。在此條件下，當剪力墻結構豎向自重過于大，就會給下方地面造成巨大壓力，這種壓力或許不會直接導致地面塌陷，但很容易引起軸向變形現象，當發生此類現象時，則說明地面承載能力在衰減，同時會使得剪力墻結構傾斜，可能引起墻體裂縫問題，所以在設計工作當中，必須嚴格控制豎向自重，避免軸向變形的問題。

3.3 結構延性

結構延性是組成剪力墻結構抗震性的重要因素，即因為地震的破壞力極其強大，所以理論上，任何剪力墻結構在此條件下，都不能保障完好無損，或多或少都會出現結構變形現象，相應如果剪力墻結構不具備延性，則在變形條件下，很容易出現裂縫、缺損，隨后演化成坍塌，但如果具備良好延性，則說明結構中存在容納變形率的空間，可以一定程度上抵消部分地震帶來的外力。由此可見，剪力墻結構延續代表了結構適應力。

4 剪力墻結構設計缺點

綜上可見，剪力墻結構在高層建筑當中的應用表現良好，但結合國內相關案例可見，該結構還存在一定缺陷。

4.1 案例概況

某實例工程單位層高33.4 m，共分為12層，根據國家相關條例證實該工程為高層建筑。根據實例工程測試確認，該工程7層以上的8.1 m出于高層建筑范圍，其承受的風力載荷以及與地基力學關系都異于下部結構，所以工程單位為了保障建筑質量，將采用剪力墻結構來進行建設，但建設當中該工程發現剪力墻結構存在缺點，需要通過其他措施來進行優化。

4.2 剪力墻結構缺點

根據案例表現以及理論得知，剪力墻結構主要存在框架節點應力過于集中、框架結構的側向剛度小以及施工復雜的缺點，這些缺點在實例當中的數據表現為：框架節點集中于結構中心2.0 m范圍內，其他部分應力較低；框架結構的側向剛度為124.3 MPa，不滿足施工標準；大體構件數量為54件，說明工藝較為煩瑣。性能分析上，該單位借助BiM技術構建了剪力墻結構模型，隨后通過仿真軟件構建了仿真地震、風力載荷環境，將模型分別放入兩個仿真環境當中進行測試，結果顯示該剪力墻結構在地震條件下，一共可支撐5.2 min，整體穩定性良好，但當其應力集中點損壞或位移后，會瞬時間倒塌；在風力載荷條件下，結構體晃動幅度為2.1 ～2.3 mm，存在不穩定表現。

4.3 實例剪力墻結構缺點優化方法

實例當中，針對框架節點應力過于集中問題，其在應力集中點以外的范圍內，增加了支撐結構，使整個墻面受力平衡；針對框架結構的側向剛度問題，主要通過材料性能來進行彌補，因為此類問題屬于剪力墻本質缺陷，難以完全消除；針對施工復雜問題，實例工程采用的裝配式結構施工方法，現在工廠內完成構件，隨后拼裝、加固，即可簡化施工步驟。

5 結語

本文主要對高層建筑鋼筋混凝土剪力墻結構設計進行了分析，通過分析得到結論：剪力墻結構對于高層建筑而言十分重要，其將決定高層建筑在地震、風力荷載條件下的性能表現，因此在設計當中要引起重視；對剪力墻結構設計原則、要點、重點進行了分析，介紹了各部分的內容、要求、目的以及注意事項，可以保障結構質量。