高層建筑結構設計特點與剪力墻設計

馬德寧

摘要：隨著城鎮化腳步的加快，大批高層建筑不斷的涌現出來。作為高層建筑結構設計人員，必須充分了解和掌握高層建筑結構設計特點及其剪力墻結構設計要點，才能使設計達到工程施工要求。高層建筑整體結構設計要遵循四點基本原則，即技術合理、先進、經濟適用、安全施工、保證質量。

關鍵詞：關鍵詞：高層建筑；結構設計；特點；剪力墻設計

1 高層建筑的結構設計原則及機構體系

高層建筑結構設計應該充分利用新工藝、新材料和新技術，完全與設備、施工及建筑緊密聯系，使建筑物經濟合理、安全實用。高層建筑結構設計應加強構造和結構選型，優先選擇抗風及抗震性能好，并且經濟合理的結構體系與平、立面布置方案，并注意做好構造連接。目前，我國的高層建筑物普遍采用鋼筋混凝土結構。一般有筒體結構、剪力墻結構、框架結構和框架-剪力墻結構等幾種結構體系。

2 高層建筑結構設計特點

高層建筑結構設計占有非常重要位置，不同結構體系，直接影響到建筑平面布置、立面形態、機電管道鋪設、樓層高度、施工技術、施工周期、以及投資成本等。高層建筑結構設計主要有以下特點。

2.1 水平荷載是建筑結構設計決定因素

水平荷載是指建筑物受水平方向作用力風荷載和地震作用，施加在工程結構上，使建筑物產生內力和變形。高層建筑自重和樓面使用荷載會在豎構件中引起彎矩和軸力，而其數值僅和建筑物高度的一次方成正比。對特定高度建筑物來講，雖然豎向荷載基本上是定值，并對整體結構設計起到重要影響[1]。但水平載荷對建筑物結構產生的傾覆力矩，和對豎構件產生的軸力，和建筑物高度的二次方成正比。因此，水平荷載成為建筑結構設計決定因素。

2.2 側移和軸向變形是建筑結構設計重點控制指標

建筑物高度不斷向上增加，水平荷載結構會使側移變形增大，且速度非?？?。因此，和低層建筑不同，結構側移問題是高層建筑結構設計中必須要考慮到的控制因素。水平荷載結構下，側移應被控制在合理范圍之內；若高層建筑采用框架――剪力墻結構，框架邊柱軸壓應力通常小于中柱，其變形程度自然小于中柱[2]。當建筑物上升到一定高度時，軸向變形會達到較大數值。若不控制好軸向變形，將會給建筑物未來使用帶來巨大影響。

2.3 抗震要求更高

目前，我國多數高層建筑基本抗震要求為“小震不壞、中震可修、大震不倒”。在進行結構設計時，除了豎向荷載、風荷載正常使用指標要合理設計外，還應從概念設計、抗震驗算和構造措施等三方面充分考慮進去，將“抗震”和“消震”充分結合起來，建立雙重指標與方法（地震力與結構延伸性相互影響），通過一系列結構措施達到減震效果。當建筑結構進入到彈塑性階段后，局部構件會出現開裂，嚴重時對整體結構造成破壞，常規計算原理和方法很難對此進行衡量分析。因此，高層建筑在設計時對抗震要求越來越高。

3 高層建筑剪力墻結構設計

剪力墻，通常稱為是抗風墻、結構墻，或者抗震墻等，在高中建筑結構中所起的作用是承受因風荷載、地震作用造成的水平荷，對于防范建筑結構剪切破壞，具有非常重要的作用。

作為高層建筑設計中必不可少的一部分，其對整個高層建筑結構的穩定性、承載能力等，具有非常重要維護作用。

3.1抗震設計

研究表明，之所以高層建筑結構中的剪力墻會在每次地震過程中受到較為嚴重的破壞，主要是因為高層建筑剪力墻結構底層位置、上部之間的剛度存在著一定的差距，而且剛度數據懸殊比較大，地震發生時其作用力主要集中在底層位置，造成底層出現了非常明顯的彈塑性集中變形問題。對于高層建筑結構的剪力墻結構來說，底層與上部之間的剛度比，需要進行非常嚴格的有效控制。因不同區域的抗震設防烈度存在著一定的差異性，所以在高層建筑結構剪力墻結構設計過程中，應當對抗震進行區別對待，以確保其合理性和經濟性。

3.2連梁設計

對于剪力墻連梁而言，尤其在高垮比分類層面上，包括小于、大于2.5兩種類型，而且均明確對截面配筋、受剪承載力做出了明確的規范和要求。同時，可采用以下方式進行塑性調幅：

第一，內力計算過程中，應當對連梁剛度進行拆減；第二，內力計算完成后，連梁彎矩與剪力組合值應當乘拆減系數。在此過程中需要強調的是，上述兩種方法在應用過程中，均需確定剪力、彎矩設計數值，而且均勻比調整值要小一些。彎矩設計過程中，應當注意比設防烈度低一度地震組合設計，這對實現防治裂縫病害，確保高層建筑結構的安全性，具有非常重要的作用。

3.3長肢墻設計

在設計高層建筑結構剪力墻時，應當對其展延性加強重視，尤其要對呈高細形狀的剪力墻，需注意其展延性和、彎曲破壞性等，以此來有效避免出現脆性剪切破壞問題。墻肢長度相對較長時，為有效滿足各墻段高寬比要求，建議采取開洞方法將長墻人為地分割成小而均勻、相對比較獨立的墻段。當墻段自身的長度相對較小時，在受彎情況下出現的裂縫寬度也相對比較小一些，此時可充分地發揮出剪力墻墻體配筋之作用。對于高層建筑剪力墻結構而言，其中存在著一些長度八米左右的長墻肢，理論層面上通過計算剪力大小，可確定剪力墻自身的長墻肢。發生地震時，尤其在強震發展過程中，長墻肢容易遭受破壞或者影響，而短墻肢會因配筋不足，導致整個墻面的構遭受破壞或者影響。

3.4轉換層結構設計

轉換層結構設計過程中，應當合理選擇高層建筑結構轉換層的上部、下部結構剛度，通常剪力墻轉換層的自身剛度相對較大，不僅會影響豎向上的剛度，而且會影響建筑施工材料的實際應用量。若剪力墻結構轉換層自身的剛度太小，則可能會導致沉降差問題，導致較為明顯的次應力在其上部位置與水平位置之間出現。從而榀跨度直線型鋼筋混凝土桁架比較情況來看，屋面兩端采用框架柱為端桿較為合適，而且對屋面相鄰跨處理所起的作用非常的明顯；腹桿立桿通常以3.9米間距為宜，腹桿斜桿布設時，應當盡可能的減小下弦桿截面面積，以充分發揮桁架自身的整體性特點和作用?；趯Ω邔咏ㄖY構的功能要求考慮，避讓建筑通道，給專業管道留出一定的空間，這也是轉換層設計的要點。

4 結論

雖然很多的高層建筑結構都使用剪力墻結構，但是要根據建筑自身的特點來選擇哪種類型的剪力墻，不能盲目使用。在設計時要注意需要計算的比值，只有計算清楚才能開展具體的設計。

參考文獻：

[1]石永忠；淺談建筑設計的基本原則；[J]；《黑龍江科技信息》；2012年2期.

[2]吳繼成.高層框架剪力墻結構設計[J].建設科技，2010（06）.

[3]郭兆偉.高層框架剪力墻結構抗震設計的技術要點分析[J].建材技術與應用，2011，01：24-25.

[4]崔維華.高層建筑框架剪力墻結構設計中幾個問題的探討[J].中國高新技術企業，2007，06：152-153.

（作者單位：石河子博力工程管理有限公司）