高層建筑結構設計特點與剪力墻設計

吳旗英

廣東蓬江建筑設計院有限公司 廣東 江門 529000

隨著城市化進程的加速，高層建筑在城市中的比例逐漸增加，其結構設計變得至關重要。高層建筑的高度和建筑功能要求使得其結構設計面臨著更多、更復雜的挑戰。建筑高度的不斷增加，或抗風、抗震級別的提高，結構體系也相應變化。剪力墻作為高層建筑的主要抗側力構件，在保障建筑整體穩定性和安全性方面起著重要作用。因此，深入研究高層建筑結構設計特點與剪力墻設計方法，對于確保高層建筑的結構安全、經濟性和適用性具有重要意義。

1 高層建筑結構設計特點

1.1 增強豎向荷載承載能力

高層建筑的首要特點之一是其需承擔巨大的豎向荷載。由于高層建筑層數較多，承受的恒、活載較大，對結構強度的需求就越高。為了應對這一特點，因此高層建筑的結構設計必須在材料選用、構件尺寸和連接方式、細部設計及構造措施等方面進行合理優化。一方面，常見的高強度材料如鋼、鋼筋混凝土等被廣泛采用，以確保結構的強度和剛度。另一方面，需要充分考慮豎向荷載的傳遞路徑，優化樓板、梁、柱等構件的尺寸和布置，以實現均衡的荷載分配。

1.2 提高抗風及抗震性能

高層建筑由于其高度較高，承受的風荷載很大，地震反應更強烈，其對結構的整體剛度及強度的需求就越高。在高層建筑的結構設計中，需要充分考慮水平對建筑的影響，并采取相應的設計措施以保障建筑的安全性和舒適性。為應對抗水平荷載性能的要求，結構設計中常采用的方法包括增加建筑的剛度和穩定性，通過合理的結構布置和構件設計來減小建筑的振動。此外，還可以采用風洞試驗、地震臺等技術手段來模擬風荷載及地震作用對建筑物的影響，從而優化建筑的結構設計。在剪力墻的設計中，特別要注意建筑的主導風向及地震作用方向，合理設置剪力墻的位置和數量，以最大程度地提高抗風及抗震性能[1]。

1.3 結構整體性與穩定性考慮

在高層建筑的結構設計中，結構的整體性和穩定性是至關重要的。由于高層建筑的高度較高，其結構體系需要能夠有效地分擔和傳遞各種荷載，保證整體的穩定和安全。為了實現結構的整體性與穩定性，設計中采用合適的結構體系，采用設置多道防線、布置最大可能數量的內部及外部贅余度、進行防連續性倒塌設計等。通過結構體系將荷載合理地傳遞至地基，確保結構整體的穩定性。同時，在構件連接和節點設計上需要加強，重視構造設計，避免出現薄弱點。穩定性是高層建筑結構設計中的重要問題。設計中需考慮構件的屈曲、穩定和抗側傾等方面，以避免發生失穩現象。

1.4 減小結構自重

高層建筑的自重是巨大的，使其對結構強度的需求很高。同時，地震作用的大小與結構自重直接相關。通過減小自重，造價的減小是非常明顯的，取得的經濟效益非常可觀，因此，在設計中減小自重是非常必要的。減小自重可以通過選擇高強材料、輕質材料、優化構件尺寸和布局等方式來實現。例如，采用高強度材料可以減小構件尺寸、輕質材料可以減小自身重量，均可以降低結構自重，減輕荷載對結構的影響[2]。

2 高層建筑結構剪力墻設計方法

2.1 剪力墻布置與分布

高層建筑結構設計中，剪力墻的布置應根據建筑的平面及豎向規則性來確定。例如，某高層辦公樓，高度為99.50米，平面及豎向均較規則，平面體形接近正方形。通過建筑體形分析，兩個主軸方向的剪力墻需均勻對稱布置且控制兩個方向的剛度接近、動力特征也相近。首先，在建筑的四個角均布置剪力墻。這樣的布置有助于整個建筑結構均勻分布剛度，并且能夠提高結構的整體剛度，從而增強建筑的抗震性能。考慮到建筑使用功能，中間的剪力墻位置，選擇布置在了樓梯間和電梯間的位置，這樣既保證剪力墻不妨礙使用，又能提供足夠的剛度，還保證了剪力墻之間的距離，避免剪力墻的間距過大。這種布置有助于剪力墻均勻承受水平荷載，從而增強了整體結構的抗側性能。雖然剪力墻的布置存在一定的偏心問題，經過計算，偏心滿足規范要求，且這樣布置最大地滿足了使用要求。在結構體系的選擇上，選用了框架－剪力墻結構。一方面，滿足了建筑對大空間的使用要求；另一方面，框架作為第二道防線，保證荷載的傳遞和提高結構的延性。在剪力墻的連接設計中，選擇了端柱-剪力墻連接，以確保荷載的傳遞和結構的整體性。這種連接方式能夠有效地將剪力墻與結構柱通過框架梁緊密連接，從而確保荷載在墻體與柱子之間的傳遞更加穩定和連續。通過合理的設置剪力墻，以及端柱-剪力墻連接的選擇，能夠提高高層建筑的抗風及抗震性能和整體穩定性[1]。

總之，借助理論的分析，成功地規劃了高層建筑中的剪力墻布置與分布。通過軟件的計算使我們能夠合理地優化剪力墻的位置、尺寸和數量，從而有效地提高了建筑的抗風及抗震性能。通過充分考慮每片剪力墻的位置，以及采用合理的構件尺寸，在整體結構中實現了荷載的均勻分散和傳遞。此外，采用端柱-剪力墻連接，保障了荷載的有效傳遞，進一步增強了結構的整體性。這些方法的綜合運用不僅滿足了建筑正常使用的承載能力，也使其在面對外部不利因素時更具可靠性。這個案例突顯了結構布置與連接在設計中的關鍵作用，為高層建筑結構的安全和穩定性提供了有效的保障[3]。

2.2 剪力墻的開洞處理方法

在高層建筑結構的剪力墻設計中，如何處理剪力墻的開洞是一個關鍵問題，因為這些開口會減小剪力墻的有效面積，削弱剪力墻的承載能力，會明顯影響剪力墻的力學性能。

剪力墻在不可避免的情況下必須開洞時，應規則開洞，洞口成列、成排布置，應能形成明確的墻肢和連梁。這樣可以使剪力墻的應力分布比較規則，使設計計算結果安全可靠。剪力墻結構不宜布置錯洞剪力墻，更不宜布置疊合錯洞剪力墻，因為這樣的墻體應力分布復雜，計算、構造都比較復雜和困難。當不可避免錯洞墻時，錯洞墻洞口的水平距離應大于兩米，在設計時，應采用有限元等可靠方法仔細計算分析。剪力墻開洞時，不宜離墻端太近。洞口邊緣距離墻端的距離，應滿足計算和構造要求。

在處理剪力墻洞口時，可以采取以下構造加強方法：

第一種情況，洞口上下對齊，洞口規則，這時，可以以洞口為界，在洞口上方設置連梁，把剪力墻分成兩段獨立的墻肢，墻肢通過連梁連接。此時，剪力墻的每一墻肢就可以按單片剪力墻常規設計，連梁按相關規定計算設計，洞口兩側設置邊緣構件加強。

如圖1所示，為疊合錯洞墻，陰影部分為剪力墻的疊合部分。有條件時，我們可以把疊合位置也當開洞處理，相當于把洞口加大，做一條跨度更大的連梁連接兩端墻肢，陰影部分后期可以用輕質材料填充。由此，開洞變得規則，剪力墻的受力明確，計算也變得簡單可靠。按這樣處理后，可以按第一種方法對剪力墻進行計算設計，構造加強。

圖1 疊合錯洞剪力墻示意圖

如圖2，該位置為樓梯間，原本為一整片剪力墻。由于消防需要，僅在首層設置消防疏散口，需要在墻上開設門洞。從圖中可以看出，洞口貼著3-M軸開設，洞口距離墻端太近，無論是計算還是構造上，此處都是薄弱的，存在安全隱患。由于洞口僅首層有，在設計時的處理，如圖所示，在3-M軸處加設一根端柱，此端柱延伸至三層。洞口上方則設計一根強連梁，洞口側邊設置邊緣構件，經過此處理，通過有限元分析，此處受力雖復雜，但采取的加強措施完全可以抵抗墻體的應力，實現了結構的安全可靠[4]。

圖2 剪力墻墻端開洞示意圖

如圖3所示，這是一種很常見的小洞口構造處理方法。在設計中，譬如煙道，風井等需要穿過墻體的情況是很常見的。此時，往往需要開設小洞口，對于這樣的小洞口，由經驗可知，一般情況下是不需要參與整體計算的，構造加強處理即可。處理的原則如圖，在洞口上下設置暗梁，洞口兩側設置邊緣構件，同時，四角設置斜梁暗梁。暗梁的鋼筋量應滿足墻體鋼筋被洞口截斷的量，鋼筋在墻體內的錨固長度應滿足抗震要求。

圖3 剪力墻小開洞洞邊構造示意圖

總而言之，剪力墻上開洞對剪力墻的力學性能影響非常大，需要引起高度重視。以上幾種處理方法是比較常用的，且簡單有效，施工方便。

2.3 剪力墻與其他結構體系協調

在高層建筑結構設計中，剪力墻與框架柱分散布置可以組合成框架－剪力墻結構；剪力墻可以布置成核心筒，與外圍框架形成框架－核心筒結構；在純剪力墻結構中，在底部可以設置轉換，設計成部分框支剪力墻結構。此時，剪力墻與其他結構體系的協調受力至關重要。通過合理的設計和協調，剪力墻能夠與其他結構構件緊密配合，確保整體結構的協調受力。

例如，在框架－剪力墻結構中，應注意剪力墻的位置與框架柱的位置相協調，注意單片剪力墻承受過大比例的剪力等。在框架－核心筒結構中，應特別考慮外圍框架的剛度與核心筒剛度的協調。在部分框支剪力墻結構中，應特別注意轉換位置要有明確的傳力途徑，傳力途徑應可靠性，盡量多地設置冗余約束。在剪力墻與其他結構體系協調受力方面，除了需要掌握每種體系的受力特點外，最重要的是節點連接設計。無論是何種結構，傳力都應非常明確。傳力途徑都是靠一個個節點把每一個構件連接起來，節點不可靠則傳力途徑就無法實現，必然存在安全隱患。因此，想要使剪力墻與其他結構體系做到良好協調，首先應掌握各種體系的受力特點，然后按照不同的受力特點用相應的構件連接，加強節點，形成明確的傳力途徑，最終發揮出整體空間作用[5]。

3 結語

綜上所述，根據高層建筑結構設計的特點，采用剪力墻設計在提升結構的抗風及抗震性能、穩定性和整體結構的協調性方面都起著重要作用。通過合理的剪力墻尺寸、布置和連接設計，可以有效地分擔荷載、增強結構的剛度，并與結構其他構件協調一致。剪力墻的設計需要充分考慮荷載特點和結構需求，以保障高層建筑的安全性和可靠性。因此，在高層建筑的結構設計中，科學合理的剪力墻設計方法具有重要意義，為建筑的舒適使用和安全運營提供了有力支持。