高层建筑剪力墙结构优化设计

喻廷平

(重庆市建筑科学研究院，重庆 400015)

0 引言

剪力墙的优点主要在于整体性强、用钢量较小而且刚度大等，所以在高层建筑施工中得到了广泛的运用。特别是像旅馆这一类房间多的建筑结构当中，墙体所采用的一般都为剪力墙结构，这样可以让承重墙与分隔墙连为一体，从而使得其经济适用。另外，使用剪力墙结构，不会有露柱与露梁的现象出现，保持了外形的美观性，也拓宽了室内空间。虽然从上面几点来看，剪力墙具备较多的优点，但是从其他方面考虑，也存在较多的问题:

1)由于高层建筑的剪力墙本身具有较大的抗侧刚度，也就使得发生地震时，剪力墙会出现较大的反应，所以在剪力墙的上部结构以及下部结构当中投入的资金都会相应的增加;

2)墙体的浇筑主要是混凝土，使得其具有较大的重量，不仅会浪费材料，地震反应也较大;

3)在剪力墙的结构当中，各个墙肢不具备较大的轴压，使得各个墙肢虽然具有一定的承载能力，但是因为轴压的问题，不能够正常的发挥出应有的性能。因此，在设计当中对于高层建筑的剪力墙，如果将缺点规避，发挥出剪力墙的优点，最终达到降低工程施工造价，提高施工质量，就成为设计者应当首先考虑的问题。随着近几年的一些成绩，我们可以看出，高层建筑剪力墙的研究已经引起了有关设计人员的足够重视。

1 在剪力墙结构构件当中对于含钢量的控制

随着社会大众越来越高的建筑要求，在高层建筑当中，剪力墙结构已经占据了相当重要的地位。想要高层建筑结构的设计具有较大的经济性，就需要从含钢量入手，对于剪力墙结构进行控制。所以，在对高层建筑的剪力墙结构进行设计时，要从实际出发，根据设计要求详细的进行结构的分析，从而确保在任何种情况下，能够控制好最经济的含钢量，并且也能够满足结构的安全要求。从笔者多年的施工经验、结构设计的累积来看，对于高层建筑物的剪力墙最为合适的含钢量都有了一定的标准，对于设计也就起到了一定的建设性和指导性的意见。合适含钢量统计表如表1所示。

表1 合适含钢量统计表

2 选择效率较高的剪力墙结构方案

只有当建筑结构的施工安全得到了保障之后，才能够在诸多的方案中进行对比选择，并且还应考虑工程造价能够在最低限度的情况下，选取适合此高层建筑的结构形式。

在框支剪力墙的结构当中，短肢剪力墙结构也是一个很好的选择。在框支剪力墙的结构中，为了尽量将上下层的刚度变化适度，可以采用短肢剪力墙结构这一减少了剪力墙刚度的方式。例如使用加大下一层的刚度，其经济效益就较为明显。

如果高层建筑物的层数大于18，最好还是选取普通剪力墙结构。如果将短肢剪力墙结构运用到层数过大的建筑结构当中，会导致其刚度不达标，从而导致结构的安全性能也受到其影响。

3 在剪力墙结构优化设计中的有效措施

3.1 需要对转换层结构设计尤为注重

从高层建筑的要求来看，现代居民希望建筑物所拥有的功能多种多样，考虑到现在大楼具有较强的综合性能，尤其是在使用方面，上部与下部的机构不同。因此，在选择高层建筑物自身的结构布置时，就需要考虑相应的变化，在设计布置当中，需要将转换层的结构设置好。我们需要重视剪力墙结构的设计，考虑到在高位转换的底部大空间当中，其结构相对复杂。因为在进行高位转换时，刚度和质量较大的转换层升高，有效的将其本身与上下的刚度调整到接近的地步是非常必要的，而对于转换层自身而言，其质量与刚度都不适宜较大，在最终时，是否能够确保转换层附近的层间位移角基本达到均匀的情况，就需要在水平作用力的作用之下，进行空间精确分析，检查其均匀情况。采用转换层结构形式时，在选择上，偏向于重量与刚度皆偏小的材料，在实际的计算中，对于参与到了组合的振型数需要多多的进行选择。通过计算，我们能够计算出在结构当中，哪一部分才是最薄弱的，然后再通过内力分配特点的具体研究，改善薄弱部位的设计性能，适当的对于构件的配筋进行相应的调整，从而达到改善薄弱部位性能的目的。

3.2 对于连梁设计的有效优化

在设计连梁的抗震与非抗震的时候，在高跨比的分类之上，主要是有小于2.5和大于2.5两种，并且对于截面配筋以及受剪承载力两个方面都有了相应的规范。而可以使用以下两种方式针对塑性调幅:

1)在进行内力计算之前，就需要拆减连梁的刚度;

2)在进行内力计算之后，连梁的剪力与弯矩的组合值还需要乘上一个折减系数。

但是，我们应当明确的是，无论是选取了哪一种，都需要确定在实际使用阶段当中的剪力与弯矩的设计值，都要小于调整后的值。此外，在设计弯矩时，也必须大于设防烈度低一度的地震组合所得。从而对于正常使用情况之下，亦或是在小型的地震发生之后，对于裂缝进行有效防止，最终达到确保高层建筑物的安全性能。

3.3 转换层上下部结构优化设计

1)在转换层的上下刚度的传递放纵，剪力墙布置存在的影响。

如果要能够准确的传递上下两种不同结构形式的内力，首先需要考虑到刚度突变，而对于转换层上下的结构可以通过两种方式将刚度突变的问题加以解决:

a.将上部的刚度减少，也就是在上部当中，能不设置剪力墙就尽量的避免设置，当满足了轴压比时，确保墙肢尽可能的短;

b.将下部的刚度进一步的加大，在建筑满足了功能之下，再恰当的布置若干的落地剪力墙在大空间层之内，此外需要避免集中，将剪力墙均匀的分布于其中。

2)需要合理的选择转换层上下部结构刚度。

如果剪力墙转换层刚度过大，不但会增大地震的反应以及竖向刚度的提高，更会增加材料的使用量，从经济的角度考虑是极为不合理的。如果剪力墙转换层刚度过小，就可能出现沉降差，进而使得明显的次应力在上部结构与水平结构之间出现(其水平结构是与上部结构相连接的)，从而增加了配筋量。而表现最为突出的就是在正交主次转换梁结构中对于次梁的转换。在这个时候，不仅需要对于截面尺寸进行合理的选择，也需要考虑到刚度是否满足设计的要求。

4 结语

在设计高层建筑结构当中的剪力墙结构的使用，需要将结构的抗侧刚度较大以及外观简洁、美观等方面的优点充分的发挥出来，又能够做到降低工程造价，这才是目前高层建筑设计人员应该重视的前提。在文章中，笔者主要从选择结构、配筋的优化等方面对高层建筑剪力墙结构的优化设计进行了分析，希望能够得到各位业界同行的点评与借鉴。

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