高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析探討

周光禹 高蕉

摘 要：隨著我國城市化進程的加快，我國住宅建設(shè)呈現(xiàn)出高層化的發(fā)展趨勢。高層建筑的主體結(jié)構(gòu)通常由鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)組成，該結(jié)構(gòu)具有成本低、性能高、穩(wěn)定性強、實用性強等優(yōu)點。文章主要針對高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進行了分析探討，希望能夠推動我國高層建筑質(zhì)量的提升，為相關(guān)工作人員提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：高層建筑;剪力墻;優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TU973.16? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2022）04-0001-03

0 引言

隨著我國建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，建筑技術(shù)也得到了相應(yīng)的提升，房屋建筑的高層化不僅適應(yīng)了城市發(fā)展的需求，還有效推動了建筑技術(shù)的進步，實現(xiàn)了城市土地資源的合理應(yīng)用。剪力墻結(jié)構(gòu)在高層建筑中有著較為廣泛的應(yīng)用，為提升高層建筑的質(zhì)量，推動建筑穩(wěn)定性與安全性的提升作出了巨大的貢獻。

1 鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)概述

1.1 剪力墻結(jié)構(gòu)的內(nèi)容

剪力墻指的是一種整體性與高度都較強的結(jié)構(gòu)，其有著用鋼量少的優(yōu)點。剪力墻的橫向縱向承重板能夠互相交錯，產(chǎn)生相應(yīng)的承重性，保障高層建筑的抗側(cè)性與穩(wěn)定性。剪力墻結(jié)構(gòu)還能將承重柱隱藏于結(jié)構(gòu)內(nèi)部，節(jié)約高層建筑內(nèi)部的空間。在建成后，不會出現(xiàn)露柱、露梁等缺陷[1]。相較于其他框架結(jié)構(gòu)，其有著更好的美觀效果以及更為廣泛的適用性，為室內(nèi)裝修提供便利，使室內(nèi)使用的面積得到有效提升。剪力墻的抗側(cè)剛度較高，有著非常好的抗震效果，非常適用于高層建筑[2]。

鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，在應(yīng)用的過程中也存在著一些問題，比如剪力墻結(jié)構(gòu)的混凝土墻體用量較大，這會直接增加高層建筑物的自重，有可能會引發(fā)地震反應(yīng)[3]。針對這一點，要加強剪力墻高層建筑上部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)施工，使高層建筑上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能夠得到有效提升，加大上部結(jié)構(gòu)的投入力度。除此之外，剪力墻結(jié)構(gòu)還有著墻肢軸壓比較低的缺陷，這會使剪力墻結(jié)構(gòu)的承載性能受到影。在應(yīng)用構(gòu)造配筋施工形式時，會使結(jié)構(gòu)的延展性受到影響，從而影響到剪力墻結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。廣大建筑單位在應(yīng)用剪力墻結(jié)構(gòu)時，要重視建立墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計與分析。降低剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用成本，提升高層建筑的建筑質(zhì)量。

1.2 剪力墻結(jié)構(gòu)的分類

①實體墻。實體墻有著非常強的承受載荷性能與抗彎性能，通常情況下實體墻的墻體不需要開洞，即使有洞口，也只是少量的小尺寸洞口。②剪力墻，整體小開口剪力墻的墻上開口面積通常為總剪力墻面積的15%以上[4]。如果對整體小開口剪力墻進行受力分析，可能會發(fā)現(xiàn)本應(yīng)在洞口處直線分布的正應(yīng)力，出現(xiàn)向洞口兩側(cè)分布的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象如果受到外力因素的影響，可能引發(fā)反向彎曲問題，需引起設(shè)計人員的重視。③壁式框架。壁飾框架的洞口尺寸相較于其他兩種結(jié)構(gòu)尺寸更大，有著連梁線剛度與墻肢線剛度比較接近的特點。

2 高層建筑鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則

2.1 抗震與承載原則

設(shè)計人員在設(shè)計剪力墻結(jié)構(gòu)的過程中，要考慮的就是剪力墻結(jié)構(gòu)的安全性能。因此，在設(shè)計的過程中要遵循抗震與承載原則，提升剪力墻結(jié)構(gòu)的荷載能力與抗震性能。配筋率的數(shù)值、剪力墻的剛度都會對剪力墻結(jié)構(gòu)的荷載能力與抗震性能產(chǎn)生影響，在設(shè)計的過程中，要考慮到剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)建。在設(shè)計的過程中要針對高層建筑的剪力墻高度進行合理設(shè)計，通常高層建筑剪力墻剛度越大，高層建筑受到震動的影響也就越小，高層建筑的抗震性能相對更強。但相對的，在提升高層建筑剪力墻高度的同時，也會增加建筑單位的施工成本。因此，在設(shè)計剪力墻剛度的過程中，要在經(jīng)濟合理的原則上滿足高層建筑的承載力要求，避免施工成本的浪費。

2.2 材料力學(xué)性能原則

在高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，為提升結(jié)構(gòu)體系的作用，要始終遵循材料力學(xué)性能原則。在設(shè)計的過程中主要要考慮兩方面因素：①要控制墻肢長度的差異性，如果剪力墻墻肢長度的差異較大，會使墻體結(jié)構(gòu)的受力度受到影響，這不符合材料力學(xué)性能;②要盡可能減少短小墻肢的數(shù)量，設(shè)計人員在設(shè)計的過程中要意識到高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)，側(cè)向高度通常是根據(jù)剪力墻側(cè)移剛度所決定的。減少設(shè)計過程中短小墻肢的數(shù)量能夠體現(xiàn)材料力學(xué)性能原則，節(jié)約設(shè)計成本[5]。

2.3 結(jié)構(gòu)經(jīng)濟合理原則

設(shè)計人員在設(shè)計的過程中要考慮到高層建筑的經(jīng)濟性，只有經(jīng)濟合理的設(shè)計目標才具有可行性。剪力墻結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟合理，通常有兩個因素所控制：剪力墻的開洞和剪力墻的材料。在剪力墻的開洞方面，剪力墻結(jié)構(gòu)中的增加會提高建造的成本，因此在設(shè)計的過程中，除了必要的門窗洞以外，要盡可能的減少剪力墻的結(jié)構(gòu)度?？梢詫⒓袅υO(shè)計為長墻，減少因結(jié)構(gòu)布置需求所需要的結(jié)構(gòu)洞數(shù)量，控制建造的成本。在剪力墻的建筑材料應(yīng)用方面，要盡可能的將短肢墻中的箍筋和水平分布的鋼筋進行合并，這樣子不僅能夠減少工程當(dāng)中的鋼筋用量，達到節(jié)約成本的效果，還不影響高層建筑的工程質(zhì)量。

3 高層建筑鋼筋混凝土剪力墻設(shè)計存在的問題

3.1 剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案不合理問題

在高層建筑設(shè)計階段，要對剪力墻結(jié)構(gòu)進行分析與評價，確保剪力墻結(jié)構(gòu)的安全性與合理性后才可進行設(shè)計。設(shè)計過程中要做好施工材料的檢查工作，確保剪力墻結(jié)構(gòu)的框架，設(shè)計結(jié)構(gòu)的質(zhì)量是高層建筑的穩(wěn)定性得以有效提升的前提。除此之外，高層建筑往往有著施工周期長，施工內(nèi)容較多的特點，因此在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，其涉及到的內(nèi)容也是比較多的，在不同位置所應(yīng)用的結(jié)構(gòu)，也會存在著一定的差異性，因此在實際設(shè)計的過程中要求設(shè)計人員做好建筑施工現(xiàn)場的勘察工作，在此基礎(chǔ)上進行剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計，對設(shè)計方案進行優(yōu)化和處理。

3.2 墻體平面形狀問題

在墻體平面形狀的設(shè)計上，應(yīng)該參考設(shè)計規(guī)范與設(shè)計要求進行規(guī)劃。確保墻體的平面形狀能夠達到水平地震作用的需求，在此基礎(chǔ)上進行調(diào)整。在實際施工的過程中，要求施工人員對墻體的平面形狀進行優(yōu)化和處理，使剪力墻結(jié)構(gòu)具有科學(xué)性與合理性。避免因墻體平面形狀導(dǎo)致的施工成本增加問題，致使施工進度受到影響。

3.3 剪力墻平面布置問題

在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，有些施工企業(yè)過于注重剪力墻結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟效益，在設(shè)計方案中沒有考慮到結(jié)構(gòu)的整體施工效果就縮減了支出，導(dǎo)致剪力墻結(jié)構(gòu)在平面布置的過程中無法與實際墻體保持一致，使后續(xù)材料的使用受到影響，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體性高度無法達標，引發(fā)墻體裂縫問題。這種現(xiàn)象會是剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度與整體性受到影響，從而使整體結(jié)構(gòu)的承載力減小，無法發(fā)揮剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)有的作用。

4 高層建筑鋼筋混凝土剪力墻設(shè)計的要點

4.1 滿足高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的布置要求

剪力墻結(jié)構(gòu)對于高層建筑質(zhì)量而言有著非常重要的意義，設(shè)計人員設(shè)計剪力墻的過程中要考慮到兩方面因素：剪力墻的抗震性能和剪力墻的空間問題。在剪力墻結(jié)構(gòu)布置的過程中，如果是按照墻體主線軸進行設(shè)計，就要考慮到剪力墻的抗變形性能以及剪力墻的寬度與高度。盡可能使剪力墻的墻體結(jié)構(gòu)保持對稱，使柱體與墻體在建筑內(nèi)的占用面積減少。在剪力墻結(jié)構(gòu)布置的過程中，要考慮到剪力墻的受力能力，在建筑設(shè)計圖紙上進行標注與說明，嚴格按照承載受力度進行設(shè)計。

4.2 對剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計進行優(yōu)化

在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，要將剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震能力視作重點，剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震能力是剪力墻重要的建筑性能。因此，在設(shè)計的過程中要對剪力墻結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，對剪力墻的厚度進行控制。如果在施工的過程中出現(xiàn)特殊情況，施工單位要根據(jù)建筑的實際情況對剪力墻結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。為提升房屋面積，可以采用墻柱暗柱的設(shè)計。在設(shè)計的過程中，應(yīng)選用質(zhì)量較好的鋼筋混凝土，提升剪力墻結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

4.3 對樓層間墻體位移的設(shè)計進行優(yōu)化

設(shè)計人員在設(shè)計剪力墻結(jié)構(gòu)時，會考慮到高層建筑樓層之間的位移問題。墻體的扭曲變形情況會導(dǎo)致樓層間與剪力墻間發(fā)生扭曲變化。因此在設(shè)計的過程中要確保剪力墻的側(cè)向高度被控制在合理的范圍內(nèi)，使高層建筑的抗震能力得到有效提升，從而節(jié)約建筑的施工成本。在設(shè)計的過程中，根據(jù)高層建筑的用途，在賓館以及寫字樓建筑的設(shè)計中，提升整體建筑的承重力，對結(jié)構(gòu)加以有效控制。在居住樓空間的設(shè)計中應(yīng)用小型剪力墻結(jié)構(gòu)時，要盡可能對房子結(jié)構(gòu)加以靈活運用。

5 高層建筑鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化措施

5.1 墻肢連梁的設(shè)計

連梁是連接墻體的主要結(jié)構(gòu)，也是非常重要的耗能構(gòu)件之一，因此，在工程實際施工的過程中，如果存在連梁設(shè)計不當(dāng)問題，就會導(dǎo)致連梁受到損壞，從而影響高層建筑的荷載力、抗震力以及防震性能。同時還會弱化建筑整體結(jié)構(gòu)應(yīng)用后的延性。因此，在剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，要考慮連梁的剛度，對剪力墻結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場設(shè)計進行優(yōu)化。要避免連梁在彎曲破壞前被損壞，在實際施工作業(yè)的過程中，禁止人為主動地增大連梁縱筋，防止連梁無法承受強剪弱彎值現(xiàn)象的出現(xiàn)。在連梁箍筋量的計算上，要避免盲目增加箍筋量，防止箍筋還沒發(fā)生作用就被剪切損壞的現(xiàn)象出現(xiàn)。在連梁截面抗剪切性計算的過程中，如果連梁比值超過了2.5，應(yīng)該將設(shè)計比值與增大系數(shù)范圍相乘，追蹤其真實的應(yīng)用數(shù)值[6]。

5.2 長墻肢的設(shè)計

墻肢延性對于細高形狀剪力墻的應(yīng)用有著較大的影響，同時墻肢延性也是剪力墻結(jié)構(gòu)重要的建筑性能之一。在墻肢設(shè)計的過程中，應(yīng)在提升墻肢延展性的同時，增加墻肢的彎曲破壞性能，防止脆性剪切破壞現(xiàn)象的出現(xiàn)。在高層建筑實際應(yīng)用的過程中，在應(yīng)用長墻肢時，墻肢截面的高度與寬度比值應(yīng)在2.0以上。因此在實際應(yīng)用的過程中，可以進行開洞，將長墻肢進行分段，形成比值均勻的小墻段。在墻體斜截面與橫截面較小的情況下，彎曲會導(dǎo)致裂縫寬度比值較小，可采用箍筋對剪力墻進行加固，使剪力墻的綜合性能得到有效提升。

5.3 含鋼量的設(shè)計

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能好、剛性強，還具有一定的防火性能，其在不同類型的高層建筑中均有所應(yīng)用。上文中提到了剪力墻結(jié)構(gòu)的含鋼量與建筑工程的經(jīng)濟性有著密切的關(guān)系，因此在設(shè)計含鋼量的過程中，應(yīng)該在滿足建筑物性能的基礎(chǔ)上，考慮到相應(yīng)的經(jīng)濟情況。為高層建筑的業(yè)主提供一個優(yōu)質(zhì)的生活環(huán)境。

6 高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計時需注意的計算問題

為提升鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的承載能力，在剪力墻軸壓比限值計算的過程中，要嚴格按照最大軸壓比限值計算公式進行計算。剪力墻軸壓比限值能夠提升剪力墻的承載力與抗震性能。1～3級抗震等級剪力墻底部最強位置最大軸壓比限值計算如公式（1），其中代表了剪力墻最大軸壓比限值;代表了鋼筋混凝土軸心抗壓強度設(shè)計的理想值;代表了墻結(jié)構(gòu)全截面的面積，單位為平方厘米;代表了墻結(jié)構(gòu)重力荷載作用下軸壓比的設(shè)計值[7]。

（1）

除此之外，還有注重高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的厚度設(shè)計，剪力墻結(jié)構(gòu)的厚度有著明確的要求。通常厚度既不能過小也不能過大，厚度要確保在20 mm以上。剪力墻結(jié)構(gòu)厚度的設(shè)計要滿足剪力墻結(jié)構(gòu)的正常使用功能，符合剪力墻結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)規(guī)范，具體計算如公式（2）。其中，b代表剪力墻設(shè)計厚度值，單位為毫米;代表單位面積荷載重量標準值;n代表高層樓數(shù);r代表軸壓比[8]。

（2）

7 結(jié)語

總之，剪力墻結(jié)構(gòu)與高層建筑的質(zhì)量有著密切的關(guān)系，廣大建筑企業(yè)要注重剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，在提升剪力墻結(jié)構(gòu)質(zhì)量的同時，保障剪力墻結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性，提升建筑企業(yè)的經(jīng)濟效益，推動高層建筑質(zhì)量的有效提升，實現(xiàn)建筑行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

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