淺析高層建筑結構設計特點與剪力墻設計

文／田環(huán)祥 中煜恒安（北京）建設工程有限公司 北京100000

引言：

隨著我國科學技術的發(fā)展、經濟實力的提升，越來越多的高層建筑出現(xiàn)在生活中，并且人們對于高層建筑的需求日益增長、要求逐漸提高，這無形之中促進了高層建筑工程行業(yè)的發(fā)展。高層建筑工程中主要是對居民房、商場、寫字樓等進行建設，是人們活動的主要場所，其質量與人們的生活、安全息息相關。因此，高層建筑的建設應基于安全的前提下，再考慮設計感與美觀度，而剪力墻的應用則解決了人們對強度、剛度和抗震能力的要求，有效的提高了安全性，并且還能縮短施工時間，目前被廣泛的應用在高層建筑的建設當中。由于剪力墻的結構特點和設計與高層建筑物結構特點有著直接而又緊密的聯(lián)系，所以相關人員在實地考察的工作中必須要有認真嚴謹的態(tài)度，并結合考察結果展開細致的研究和分析，從而進一步確定地質、建筑特點等方面的情況，這樣才能更好的發(fā)揮出剪力墻的作用，從而確保高層建筑的安全性、穩(wěn)定性、經濟性。

1、高層建筑結構設計

1.1 高層建筑結構類型

（1）框架結構

用鉸接或鋼接將梁和柱連接起來所構成的結構體系即為框架結構。與其他高層建筑結構相比，框架結構在高層建筑建設中的應用時間是最長，高層建筑一開始采用的便是這種結構。不過框架結構的優(yōu)缺點非常明顯，它的優(yōu)點主要體現(xiàn)在空間上的靈活性，缺點主要體現(xiàn)在抗震性能的不足，所以比較適合小型建筑。

（2）剪力墻結構

用鋼筋混凝土墻板來承受水平與豎向力的結構為剪力墻結構。在高層建筑建設的過程中，一般采用平面形式設計剪力墻結構，并進行雙向或多向的布置，使其能受到水平與豎向兩個方面的荷載作用。剪力墻結構的應用優(yōu)勢主要在于其有較好的側向穩(wěn)定性，有較高的抗震性能，非常適合用于較高的建筑。不過其缺點也較為明顯，剪力墻結構并不能起到較好的提高空間靈活性的作用。

（3）框剪結構

框架結構和剪力結構組合形成的結構體系為框剪結構，這也是其名字的由來。在框剪結構中，框架結構占據主體地位，剪力墻結構發(fā)揮輔助的作用，不僅彌補了兩個結構的缺點，還放大了兩個結構的優(yōu)點，所以得到了廣泛的應用，特別適合一些對抗震性和空間靈活性較高的大型建筑。

（4）簡體結構

由豎向的簡體去承受水平或豎向荷載的體系為簡體結構。簡體結構是以框架、剪力墻兩種結構體系發(fā)展而來的，具有封閉性的特點，與前幾種結構相比，它在受力方面有明顯的優(yōu)勢，使高層建筑的高度得到了進一步的提高。

（5）簡體組合結構與其他巨型結構

隨著高層建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，更多結構體系被開發(fā)和應用在實際的施工過程中，結構體系之間也以不同的形式相融合，產生了許多新的結構體系，如特巨型結構。

1.2 高層結構設計特點

（1）重視軸向變形

與其他建筑物相比，高層建筑要承受更大的豎向負荷，所以柱體、構件發(fā)生變形的幾率也會更大，嚴重的話會影響人的生命安全。這些因素不僅造成了端支座負彎矩、跨中的正彎矩數值的增大，還導致了梁的中間彎矩數值的減少。針對以上問題，在設計高層建筑的過程中，必須要提高重視度，對于問題要采取相應的措施進行調整與處理，以此延長構件的使用期，消除安全隱患。

（2）注意水平荷載

在高層建筑建設中，通常情況下豎向荷載都是固定不變的，而水平荷載則不相同，它會受到結構的影響而產生相應的變化，與高度和軸力是正比的關系，所以結構的水平荷載受到了高層建筑設計人員的高度重視。

（3）注重結構延性

無論是在哪一種建筑當中，設計人員都要重視結構延性。一般來說，高層建筑的結構比較柔和，一旦發(fā)生地震，建筑就很有可能發(fā)生變形的問題，所以為了有效避免這一問題，應該通過各種措施、想方設法的提高建筑抵抗變形的能力，使建筑具備較好的延展性。

1.3 高層結構設計原則

（1）選擇適宜的簡圖

在高層建筑設計前，設計人員應結合施工需求、施工合同等設計簡圖。在此過程中，設計人員要注意以下兩個方面：第一，必須使用正確的計算公式，確保各項數據的準確性。第二，制定相應的結構改善措施，簡圖應經過反復的推敲后方能確定。如果未能選擇與建筑工程相符的簡圖，那么很有可能在中途中出現(xiàn)改結構的問題，不僅影響了施工進度，還降低了建筑的質量，最嚴重的后果就產生安全事故。由此可見，簡圖的重要性，一定要對此提高重視。

（2）選擇合適的方案

建筑方案對高層建筑工程有序施工、在工期內完成施工等都有著重要的意義，所以必須要選擇合適的方案。在制定建筑方案的過程中，要注意一下幾個問題：第一，確保方案的經濟適用性，避免浪費不必要的資源。第二，確保方案的可行性，切忌將不同結構隨意的混合使用。第三，確保方案的實用性，按照施工要求制定方案，一點更要達到結構清晰、受力明確等相關要求。

（3）進行精確的計算

準確的計算是合理設計高層結構的重要保障，所以設計人員要做好計算的工作。隨著互聯(lián)網的發(fā)展，信息技術在高層建筑建設施工中得到了廣泛的應用，豐富了計算工作的方式和方法，提高了計算的準確率與效率?；诖耍O計人員應提高自身信息素養(yǎng)，熟練掌握計算機技術進行計算，為后續(xù)的設計奠定基礎。同時，設計人員也要掌握相關軟件的應用知識。

1.4 高層結構設計控制要點

（1）材料的選取

在高層建筑施工之前，要根據實地情況、周邊環(huán)境、氣候變化等因素進行綜合的考慮與分析，并根據分析結果選取材料。通過這樣的方法，建筑的整體質量得到有效保障，還降低了后續(xù)施工和使用過程中發(fā)生意外的概率。同時，還要確保選取的結構材料以及設計的圖紙、方案等滿足施工要求、我國對建筑行業(yè)的相關要求。

（2）結構體系的選擇

在高層建筑建設中，要分析結構體系的承重效果以及其他因素對結構的影響，并按照分析結果選擇結構體系。此外，對于建筑物抗側力也要有一定的掌握這樣能減少外力的干擾，實現(xiàn)優(yōu)化結構的目標。

2、剪力墻設計

2.1 剪力墻結構特點

在高層建筑工程中，剪力墻起著承擔不同方向荷載的作用，還能控制水平力上的部分結構。大部分剪力墻結構都是由墻肢和連梁構成的，與其他結構相比，它的明顯優(yōu)勢在于剛度大、穩(wěn)定性墻。除此以外，剪力墻的應用還能實現(xiàn)減少成本的目標，不會使用過多的鋼制材料，具有增效、增益的優(yōu)點。不過由于它也會增加建筑的自身重量與結構延性，所以地震對其影響更加嚴重。為提高剪力墻結構的應用效率，還需要在后續(xù)的研究中針對其現(xiàn)存優(yōu)點做出進一步分析，并制定相應的優(yōu)化方案。

2.2 剪力墻結構設計要點

（1）剪力墻結構設計要求

首先，確保剪力墻長寬比例適中。通常情況下，剪力墻的高和寬的尺寸都較大，厚度較小。剪力墻的形狀和板差不多，但它的受力特征卻和板完全不同，與柱子相似。具體來講，當剪力墻的長度和厚度的比值小于或等于4 時，設計人員可以參考普通柱子的受力特征進行設計。當這一比值大小4 時，剪力墻受壓是雙向的，所以可以參考異形柱的受力特征進行設計。

其次，確保剪力墻滿足剛性要求。在高層建筑中，剪力墻要承受水平和豎直兩個方向的壓力。在這種情況下，它的狀態(tài)和嵌固在底部的梁相似。為避免在地震、臺風等惡劣的環(huán)境中建筑物發(fā)生變形的問題，在設計時一定要滿足剛性要求。同時，還要估算建筑的能量損失、明確結構延性的需求，這樣才能確保剪力墻在外力的作用下不會受到破壞，在這里建議將剪力墻設計為彎曲型，以此實現(xiàn)上述目標。

（2）剪力墻設計注意問題

為更好的發(fā)揮出剪力墻結構在高層建筑施工中的作用，設計人員應該采用相應的措施有效控制相關因素對施工的影響，這就需要注意以下幾個問題：

第一，做好結構材料的選擇。在針對建造材料進行采購的過程中，必須要更為嚴格、詳細的審查供應商的各項信息與資料，例如：經營許可證、資質、生產許可證等。與此同時，在建造材料進入施工所在區(qū)域以前，施工管理人員必須要將抽樣檢查工作做好。只有對建造材料的質量、性能做出保證，質量合格，方可進入到施工現(xiàn)場。在此過程中，要按照施工要求選擇結構材料，從而有效避免各種問題的發(fā)生，如結構粘接出現(xiàn)裂痕等。

第二，做好施工質量檢測的工作。在完成剪力墻結構設計后，正式施工時必須要將施工合同當中的各個條款、規(guī)定作為依據，嚴格管理所有施工環(huán)節(jié)，將質量監(jiān)督、驗收等工作整體強化，以保證施工中各個細節(jié)的質量與規(guī)定的標準相符合，實現(xiàn)工程總體施工效率、質量的提高，減少變更行為的發(fā)生。同時，在關鍵性施工環(huán)節(jié)的過程中應采取旁站式監(jiān)督，確保能夠及時發(fā)現(xiàn)施工中存在的問題，并進行一定的干預，提升剪力墻結構澆筑的安全性。這樣也能有效避免后續(xù)發(fā)生結構不穩(wěn)定的問題，消除安全隱患。

圖1 剪力墻施工現(xiàn)場

2.3 剪力墻結構設計措施

（1）剪力墻結構設計

第一，轉向結構布置。剪力墻稱重系統(tǒng)由橫向與縱向兩個方向承重板交錯排布組成，一般是由主軸方向進行雙向布置，形成空間結構，從而承載兩個方向相同強度的重量，這樣能有效彌補剪力墻空間不靈活這一缺點。同時，可以利用剪力墻結構側向高度更大的特點進行優(yōu)化設計，從而進一步提高結構的穩(wěn)定性。

第二，洞口布置。剪力墻結構在抗震方面存在一定的不足，所以在高層建筑中應以彌補這一缺點為目標，優(yōu)化洞口的布置。在此過程中，要注意設計的簡單性，確保結構的清晰。同時，如果截面的規(guī)則性不能得到一定的保證和保持，那么很容易出現(xiàn)結構混亂的問題，從而影響工程的質量。同時，關于短肢剪力墻設計的控制也要進一步增強，不過需要注意的是，不能夠多使用這種結構，會降低結構自重，從而影響工程的安全性。

（2）連梁設計

剪力墻只有具有一定的剛度和強度，才能確保其與連梁結構的協(xié)調。通常情況下，連梁在高層建筑的設計中，都發(fā)揮著提高剪力墻剛度的作用。在設計連梁時要結合實際施工情況，根據施工要求計算結構參數，并且可以對參數進行適當的折減。

結語：

綜合而言，在社會發(fā)展過程中，高層建筑越來越多，該種建筑類型的體型大，結構繁瑣，人員密集，承受荷載大，涵蓋的功能相對較多，結構設計存在較強的困難性。并且，因為多方面問題的出現(xiàn)，也增加了不同的隱患，與小型建筑相比，安全問題會更多。如果不能合理的設計結構、選擇結構材料、結構體系等，就會發(fā)生不同程度的問題。由此可見，強化與優(yōu)化高層建筑結構設計的重要性，是確保施工質量與效率能夠顯著提升的關鍵因素，同樣，也是維護群眾日后使用建筑安全的重要途徑，可顯著降低安全事故發(fā)生的機率，延長建筑的使用壽命和周期?；诖耍瑹o論是為了提高質量，確保安全性，還是為了促進行業(yè)發(fā)展，相關單位、管理人員、設計人員都需要加大重視，強化對高層建筑結構設計的力度，結合現(xiàn)狀，針對性地制定措施。同時，設計人員也要提高自身專業(yè)素養(yǎng)，在高層建筑中制定明晰的方案，保證結構設計的合理性，通過優(yōu)化各環(huán)節(jié)的工作，實現(xiàn)降低成本，提高安全性與效率的目標。此外，也要提高對剪力墻結構應用的重視度，基于應用現(xiàn)狀做出進一步的分析，更好的發(fā)揮出它的作用。