高層民用建筑剪力墻結構設計特點及其優化策略

周 媛

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司 , 北京 102600)

剪力墻是一種相對特殊的結構體系，在高層民用建筑中的應用非常多，良好的剪力墻結構設計，不僅可以有效發揮剪力墻結構的抗震性、安全性優勢，更可以提升整體結構的科學性。因此，當下隨著高層民用建筑項目數量的增多、規模的擴大，剪力墻結構設計已然成為了結構設計中需關注的重點內容，但部分工程企業在剪力墻結構設計方面存在很多的不足，難以發揮剪力墻結構優勢。各個工程企業在結構設計時，都應該從結構性能的優化角度出發，加強剪力墻結構的細節優化。

1.高層民用建筑剪力墻結構的設計特點

1.1 剪力墻結構的設計特點

城市化發展伴隨著越發明顯的土地緊張問題，各種建設工程項目實施中，為克服土地資源限制，建筑工程呈現出高層化趨勢，項目數量有所增多、規模日漸擴大。但因為建筑的層數多、高度大，整個結構受到的作用力繁多且復雜，軸線并行、側向移動等均是結構設計中需重點關注的方面[1]。由于剪力墻結構的特點，高層建筑項目實施中，人們越來越傾向于這一結構體系的構建，但在剪力墻結構體系設計時，應使得剪力墻具有較好的抗側剛度、較小的側移、良好的吸收性能，只有這樣，方可使得剪力墻結構具有極好的結構穩定性和抗震性，能夠應對來自內外部的各種結構沖擊。對于高層民用建筑而言，為達到總體結構標準，剪力墻結構的高度和厚度都相對偏大，這一結構設計要求使得該結構體系即使處于荷載作用下，也可以發揮剪力墻結構體系的優勢，發揮其抗剪切力機械強度能量小的特征。一旦剪力墻結構的應用對象是超出20層的建筑，為保障截面彎矩最為極限承載力的計算科學性和準確性，必須要以全截面抗彎作為計算基礎，根據相應的計算經驗，在洞口越小的條件下，剪力墻結構的性能越理想，越可以發揮其在建筑結構中的優勢。此外，高層民用建筑中的剪力墻結構設計中，通過科學的剪力墻結構設計，可以有效對建筑空間加以科學劃分，實現空間資源的合理利用，有效提升了室內框架結構的簡潔性和美觀性。因為剪力墻結構中各個構件都為混凝土材料制成，使得剪力墻結構的重量大，地震災害出現時該剪力墻結構也勢必由于以自重出現明顯的地震反應，再加上抗側剛度的存在使得地震時的地震反應力加大，因此，為使得剪力墻結構的抗震性得以增強，應從其結構特點出發進行適當的優化。

1.2 剪力墻結構的分類

對高層建筑而言，因為其結構性能的要求相對較高，不同的高層建筑結構設計中，應根據整體的結構特點，確定在剪力墻結構設計是否必須開洞，如果存在開洞的必要，結構設計人員應考慮開洞的大小[2]。根據高層民用建筑中的剪力墻設計和使用情況，一些剪力墻開洞，而一些剪力墻不開洞，且開洞的剪力墻結構中，洞的大小也存在著明顯的區別。因此，在高層民用建筑剪力墻結構設計中，開洞與否、開洞大小可以作為劃分基準，建筑結構中大多包含了實體墻、整體小開口剪力墻、多肢剪力墻、壁墻框架。對實體墻而言，其屬于不開洞剪力墻，當然，在一些建筑結構中應用時，實體墻剪力墻的開洞非常小，整個結構體系中沒有任何的受力突變和反彎點。整體小開口剪力墻比較特殊，同樣屬于小開洞結構，墻彎矩存在明顯突變，在高度上沒有反彎點分布，但局部存在反彎點。多肢剪力墻為大開洞結構。

2.剪力墻設計原則

2.1 連續性

高層民用建筑的結構包含了多種的形式，在剪力墻結構設計中的可選擇性也相對較多，為使得剪力墻結構可以與整體的結構標準相符合，專業設計人員在剪力墻結構設計中，應加強對工程現場環境的調查，根據總體的結構要求和現場環境，選擇最佳的剪力墻結構設計策略。剪力墻結構是建筑工程結構中一種相對特殊的結構體系，主要是通過相關建筑構件的利用來實現對部分結構的分離，從其在結構中的作用來看，剪力墻結構有一定的承載力和阻力作用[3]。因此，任何的剪力墻結構設計中，應始終堅持連續性的設計要求，以避免剛度的極端變化而引起結構位移和偏差。

2.2 特殊性

因為每個的高層建筑都有其獨特的結構要求，在剪力墻結構設計中應堅持特殊性要求，做好對整個高層建筑的結構受力分析。墻體作為建筑結構中的平面結構，其受力不僅包含了水平的彎矩和剪力作用，更包含了豎向壓力，為達到剪力墻設計的良好效果，剪力墻設計應從結構受力的特殊性出發，做好相應的結構優化，提升剪力墻的應用效果。

3.高層民用建筑剪力墻結構的設計及優化

3.1 剪力墻設計要為后續的建筑改造留有余地

作為結構體系的一部分，為發揮剪力墻作用，設計人員應給后續建筑改造留有一定余地，要使得剪力墻主體設計能夠在達到基本剛度的前提下為建筑中的門窗設計留有一定的空間。總之，剪力墻結構設計中，嚴禁設計的隨意性，避免門洞挖掘的重復。為使得剪力墻空間合理，設計人員在總體的設計過程中，應提前做好相應的空間分析與規劃，將墻體劃分成若干個部位，使得門窗的設計盡可能合理，與剪力墻結構相匹配[4]。

3.2 合理布置剪力墻平面

剪力墻結構抗震性、穩定性和安全性目標能否實現，在一定程度上取決于剪力墻的平面布置情況。在平面布置時，應從以下方面來開展：（1）剪力墻平面布置應始終堅持對稱性和均勻性的原則，使得墻面中心可以完全和結構剛度中心重合，通過這種控制來減小扭矩，實現與墻體的對直；（2）抗震剪力墻結構設計時，應盡量選用兩側都有剪力墻的設計方案；（3）始終沿中心軸線的方向保持對稱性；（4）將剪力墻抗側力剛度控制在合理的范圍內，設計人員在設計的過程中，可以直接利用T=(0.05-0.06)n公式來進行設計，其中，T代表的是經驗公式，n為剪力墻結構層數，在此公式下，確定剪力墻剛度的范圍，保持剛度和層數相符合；（5）剪力墻布置不宜太密，盡量多布設均勻長墻，少布設短墻，最好使得墻肢厚度沿著高度方向上呈現均勻變化的趨勢；（6）堅持“強周邊、弱中部”的布設要求，將剪力墻平面布設為L、T、十字形等多種簡單形式，以提升剪力墻結構的穩定性。

3.3 正確處理剪力墻的墻肢

對高層民用建筑中的剪力墻結構設計而言，為提升其總體的結構性能，相應的設計標準中明確規定了剪力墻延展性要求，因為高層民用建筑中的剪力墻高度較大，在設計時就應該從延展性方面考慮，盡可能用彎曲剪力墻來替代原先的剪力墻結構，以通過這種方式來使得剪力墻的機械強度達到相應的標準[5]。對于一些長度較大的剪力墻而言，可以通過開洞的方式減少結構裂縫的出現，使得在整個建筑結構中，剪力墻中的鋼筋可以更好地發揮其支撐作用。因為大墻肢在地震作用下很容易斷裂，因此，如果剪力墻中的墻肢長度超過了8m，一般可以通過開洞設計的方式來減弱地震效應干擾。

3.4 合理處理邊緣構件

通常情況下，對高層民用建筑剪力墻結構設計而言，其邊緣構件一般包含了構造型和約束型兩種，為提高剪力墻結構性能，對于處于下部處理加強位置且抗震性能相對較差的高層民用建筑剪力墻而言，選擇構造型邊緣構件；而對于加強部位和高層民用建筑與重荷載作用下墻體軸壓比平均值超過設計標準的情況而言，更適宜選用約束型邊緣構件。對構造邊緣構件而言，其在設計時應符合正截面受壓或者受拉承載力的計算標準，對于構造邊緣構件豎向分布鋼筋而言，其最小配筋率、根數、直徑都應該與相應的設計標準相一致，在達到計算值、最小配筋率、根數、直徑等的標準下，其中的多余鋼筋可選用小直徑鋼筋，但不應小于剪力墻豎向分布鋼筋的強度等級和直徑。此外，構造邊緣構件的強度、延性都應該比墻體要高，雖然相應的設計標準中沒有明確規定邊緣構件縱筋間距的要求，但卻可以以相應的框架結構設計規范來實施。

3.5 合理設計過渡層

過渡層的設計效果同樣與剪力墻結構體系性能之間有著直接的關系，主要是由于高層建筑結構中非常重視結構抗震性這一性能，地震災害發生的瞬時時間段內，地震作用力將對剪力墻產生巨大的沖擊，而當過渡層剪力墻墻體受到部分荷載干擾時，勢必面臨承載力減小的趨勢，對剪力墻結構性能的不利影響非常大。因此，高層民用建筑中的剪力墻結構設計中，應從整體的結構性能著手，對剪力墻的各個細節加以適當調整，使得各個結構參數都符合設計標準。設計人員在充分進行了相應的受力特點分析以后，才能夠開展相應的結構計算，通過科學的過渡層布置，來起到地震能量的削弱作用。對于存在過渡層或者轉換層的剪力墻結構，如底層框架剪力墻，因為過渡層或者轉換層的剪力墻墻體在地震發生的過程中，需提供最大的抗傾覆力和抗剪切力，當處于垂直均勻荷載的情況下，過渡層或者轉換層的剪力墻墻體處于拉剪或者壓剪應力狀態下，一旦存在橫向的荷載作用力，在過渡層或者轉換層的設計中，應使得其橫向承載力、抗裂性能同步減小。

3.6 對剪力墻的連梁設計展開優化

剪力墻設計中的連梁設計也非常重要，通過科學的連梁設計，建筑結構剛度得以改善，可以在一定程度上將側向位移控制在合理的標準內，進而來提升整體建筑的穩定性。但因為耦合梁剪力墻設計時常常會受到諸多因素的影響，如果在設計過程中缺乏對這些因素的科學考慮，可能會導致剪力墻的結構性能難以達到標準，無法提升高層建筑的整體性能。比如，在剪力墻設計中，如果連接梁的橫高度過小，連接梁就無法在整個高層建筑內發揮其作用，具體來說，當受到反復的荷載作用力時，結構裂縫將難以避免，剪力墻的質量安全問題突出。因此，針對連接梁在剪力墻中的作用，在剪力墻設計時應盡量選用高連接梁，做好相應的受力分析。

4.結語

高層民用建筑結構的日漸復雜化，加劇了人們在此類工程中對剪力墻結構體系的重視和使用，但剪力墻結構體系設計時需注意的設計要點較多，設計人員應從受力分析的角度，做好相應的結構計算和優化，全面提升高層民用建筑的結構性能。