对高层建筑剪力墙设计的理性探索

王剑宇

摘要：高层建筑是我国城市化和现代化发展的产物，其功能和类型都较为复杂，加上巨大的投资和复杂的建设过程，必须注重对高层建筑结构的合理设计。所采用的剪力墙结构，重点在于对其抗震性能的设计上，只有结合建筑功能与地理环境，不断改进高层建筑剪力墙结构形式，才能做到结构与经济两方面的合理。

关键词：高层建筑；剪力墙；抗震设计

1框架-剪力墙结构体系的受力特点

框架是由梁柱线性杆件组成的，框架的受力特点类似竖向悬臂剪切梁，其变形曲线为剪切形，在纯框架的结构中，所有框架的变形曲线都是类似的，所以，水平力按各框架的抗推刚度 D比例分配，剪力墙是竖向悬臂弯曲结构，其变形曲线为弯曲形，在平面内有很大的抗弯曲刚度，在一般剪力墙结构中，所有抗侧力构件剪力墙的侧移曲线都是类似的，水平力在各片剪力墙之间按其等效刚度EI比例分配。在同一结构单元中，二者是通过水平面内刚度无限大的楼板连接在一起的，以至于它们不能单独按各自的弯曲变形或剪切变形而自由变形，它们在同一楼层的位移必须相等，在不考虑扭转的情况下，由于框架与剪力墙共同工作，彼此相互作用。

2剪力墙抗震设计的重要意义

2.1设计中采用机构控制达成总体屈服效果。在框剪结构中的特定位置，设置一定数量的“塑性铰”，实现对塑性铰发生位置、次序、形变程度的控制，使结构在地震时形成较好的耗能机构。在水平向力的作用中，水平的构件首先屈服，然后才是竖向构件。

2.2平衡结构刚度和承载能力。在框架 -剪力墙结构中，剪力墙的数量增多，体积增大，刚度也会随之增加。但是，这就会使结构的自振周期变小，总体水平地震作用加大；反之，结构的刚度就会减小，地震力作用也就变小。因此，在设计过程中，应当根据建筑的基本情况来综合考量，将建筑的设防烈度、高度、装修等级等内容考量在内，以确定结构允许的位移的最大限值，从而确定剪力墙的数量和体积，保证经济和安全并重。

2.3刚度与延性的和谐统一。框架与剪力墙结构在刚度和弹性限值、延性系数等方面都存在着一定的差异，这就给框剪结构抗震性能的提升制造了难题。理论上，框剪结构会出现各个构件不能协调性发挥作用，而出现先后破坏、各个击破的情况，这就大大降低了结构中各个构件的有效性和抗震的可靠程度。所以，在设计中应将各个构件协调起来，使刚度与延性和谐统一，以此保证建筑的抗震需求。

3框架-剪力墙结构中剪力墙的布置

剪力墙的布置一般原则是均匀、分散、对称、周边及均匀，分散原则是要求剪力墙片数不要太少，而且每片剪力墙刚度不要太大，连续尺寸不要太长，使抗侧力构件数量多一些，分散一些，每片剪力墙的弯曲刚度适中，在使用中不会因为个别墙的局部破坏而影响整体的抗侧力性能，也不会使个别墙的受力太集中，负担过重而引起过早的破坏，刚度过大的墙承担的内力也大，相应的基础处理难度增加，同时也考虑到剪力墙相距太远，楼面刚度要求大，很难满足要求，周边的原则是考虑建筑物抵抗扭转能力，便于保证刚度中心与平面中心相吻合。

剪力墙布置在周边对称位置，增加抵抗扭转的内力臂，在不增加剪力墙面积的情况下，提高抗扭转能力，剪力墙布置的位置应设在平面形状变化处，即：角隅、端角、凹角，这些部位往往是应力集中处，设置剪力墙给予加强是很有必要的；高层建筑的楼梯间、电梯间、管道井处等的楼面开洞严重地削弱楼板刚度，对保证框架与剪力墙协同工作极为不利。

因此，在工程设计中用剪力墙来加强这些薄弱端部，如楼梯间、电梯井道处、竖向管道井设计加强的钢筋混凝土墙是十分有效的，剪力墙的间距：现浇钢筋混凝土楼盖 L/B=2～ 4 为宜；装配整体式钢筋混凝土楼盖 L/B=1～ 2.5 为宜，原则是建筑物愈高、抗震中应用最广的是空间杆-薄壁杆系矩阵位移法。这是目前工程上采用最多的计算模型。

4剪力墙结构抗震优化原则

在高层建筑中，既要考虑到建筑的质量安全，又要考虑到经济成本。一般而言，建筑结构的刚度越大，抗震性能就越高，而建筑所需成本也就越大。对于剪力墙结构的抗震设计，要从定量与定型两个方面出发，分析研究质量安全与成本投入。基于此原则，剪力墙结构在抗震设计方面可以作如下的优化：一是尽量避免“一字型”的剪力墙结构，保证结构层间位移范围控制合理；二是整体上满足合理的结构要求，并基于此考虑经济性成本，做到两者的合理兼顾；三是在对剪力墙整体结构抗震的设计上，对于出现的不合理状况，通过改变剪力墙的数量和布置情况来使楼层刚度和结构更加合理。

4.1剪力墙结构设计方面的优化

⑴剪力墙的空间结构体系主要是以主轴为中心，向横竖两个方向布置。正是这个结构体系的特点，在抗震设计中，要避免剪力墙结构的单向布置，这与前面所讲的优化原则第一点相同，尽量不用“一字型”剪力墙。这样一来，剪力墙可以增强两个受力方向的抗侧刚度，使两各方向的力处于平衡状态。

⑵尽量合理的减小剪力墙厚度

我国对剪力墙厚度具有明确的规定，对于一、二级抗震级，剪力墙底部墙厚要大于20公分，其它部位不低于16公分。但是，剪力墙的厚度并不是越厚越好，其设计要满足最大层间位移的指标，并能满足墙肢的稳定验算，通过分析合理设计剪力墙的厚度。较厚的剪力墻虽然具有较高的抗侧刚力和抗震能力，但因为影响剪力墙抗震效果的因素复杂多样，抗侧拉力并不与整体结构的抗震能力成正比，这还要考虑抗震等级的轴压比的影响。因此，在设计剪力墙抗震时要经过分析，合理减少墙厚，保证结构之间的位移控制在允许范围内。

4.2剪力墙连梁的抗震设计

剪力墙的连梁对调节和保证连肢体墙刚度的作用，其目的是为了避免主梁与楼板大面积的塌陷而造成变形带来的影响。对连梁的抗震设计要对其进行加强，提高连梁和腰筋的配筋率。对于不同厚度的剪力墙，连梁的跨高也有所不同。当抗震等级为一、二级的剪力墙且厚度在20过分之内时，如果连梁的跨高度在2以内，则钢筋的构造宜采用斜向交叉法。因为连梁在受到一定承载力之后会出现变形，其变形的情况与跨高密切相关。跨高越大，连梁变形的比例越高，采用斜向交叉使连梁的弯曲比例增大，从而提高连梁的变形能力。总之，连梁是高层建筑抗震设防的第一道防线，其设计要重点考虑它的变形能力及架构形式。

4.3改善框架的抗震能力

（1）对框架结构的角柱进行强化。角柱是连接横纵框架的关键，要增加框架结构的整体性，就需要增强角柱的抗剪能力。

（2）在外围框架的平面内设计一定数量的钢筋混凝土剪力墙墙板，这样可以有效地克服框架的剪力滞后的情况，提高框架结构的整体性和抵抗推力的刚度，减少整体结构的侧向移动，特别是层间的位移，其形式为 K或者 X型。但是，应注意这样的结果是延性较差，如果在墙板上适当地设计十字开口，人为地使之出现结构薄弱部位，形成延性的耗能墙板，则更加有效。

参考文献：

[1]杨国建. 浅谈高层建筑混凝土框架结构设计[J]. 价值工程，2011，（20）

[2]陈天华. 高层混凝土建筑抗震结构设计探析[J]. 中国科技信息，2011，（16）