高层建筑剪力墙结构优化设计分析

陈光华

（贵州深港中天建筑设计有限公司 贵州 贵阳 550000）

1 引言

高层建筑之所以常使用剪力墙结构是因为剪力墙结构不仅仅具有综合性强的特点，还具有投资成本低和坚韧度高的特点。和框架结构相比较，剪力墙结构的外观也更加美观。伴随着社会大众对剪力墙结构的不断重视，剪力墙结构应用于高层建筑也是越来越普遍，虽然相关的章程对剪力墙结构没有具体的规定，但是作为工程质量的保证，优化剪力墙结构是核心所在。

2 高层建筑剪力墙结构设计简析

高层建筑剪力墙结构设计是一项系统性的设计工作，这主要体现在设计重要性、设计前提、设计特点、设计原则等方面。以下从几个方面出发，对高层建筑剪力墙结构设计进行了分析：

2.1 设计重要性

高层建筑剪力墙结构设计有着非常高的重要性。众所周知，高层建筑是社会生产发展和人们生活需求的产物，并且本身也是现代化商业化工业化和城市化的必然结果。随着我国经济的发展、社会的进步以及城市人口密度的持续提升，高层建筑正在逐步成为当今建筑最为重要的发展趋势，并且也成为了城市现代化的象征。因此，为了能够有效地满足高层建筑的抗震性和经济性，对于剪力墙结构进行研究就具有重要的理论和实践意义。

2.2 设计前提

高层建筑剪力墙结构设计有着必要性的前提。例如，设计人员在设计一幢高层建筑时可以将这一建筑看成一根竖直放置于嵌固于地基的开孔带。其次，由于高层建筑多为巨型空间构架，因此建筑的剪力墙不仅仅需要承受所有重力荷载的作用，并且还需要保持稳定。与此同时，要保证各种建筑内部的装饰、填充墙等不会在地震等问题中受到损坏，还需要提供建筑内部工作、生活的人们有一个舒适的环境，因此其设计需要将剪力墙变形控制在允许范围内。

2.3 设计特点

高层建筑剪力墙结构设计自身有着独特的特点。众所周知，剪力墙结构在水平力作用下往往容易出现弯曲型的侧向变形，其变形特点如下：水平荷载作用下的变形特征和其高宽比之间的关系为H/bw＞2（高墙），弯曲型变形；1≤H/bw≤2（中高墙），弯曲型变形与剪切型变形；H/bw＜1（矮墙），剪切型变形，其破坏形式如图1 所示。

图1 剪力墙结构破坏形式示意图

由于剪力墙结构承受的竖向荷载和水平荷载都较大，使得高层建筑剪力墙结构具有很好的整体性和侧向刚度。但需要注意的是，高层建筑剪力墙结构由于不能够提供大空间房屋并且结构延性通常来说也较差，因此这在很大程度上限制了高层建筑剪力墙结构的设计空间，例如许多高层建筑的内部房屋只能以小房间为主。

2.4 设计原则

高层建筑剪力墙结构设计需要遵循相应的设计原则。设计人员在进行高层建筑剪力墙结构设计时首先应当进行楼层最低剪力系数的计算，并且在计算完毕后通过复核来确保计算结果非常接近规范值。其次，设计人员在进行高层建筑剪力墙结构设计时应当控制好结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的自振周期T1之比，并且确保其不会大于该楼层平均值的1．5 倍。这一情况主要是为了能够减轻结构自身的重量，并且还能够在此基础上有效地减少地震造成的破坏，最终达到降低高成绩建筑整体工程造价的目的。

3 剪力墙结构设计优化措施

3.1 加强剪力墙结构均衡设计

高层剪力墙结构的均衡设计需要工作人员使用合理的对策，促进剪力墙结构的受力平均，这不仅仅可以提高工程的安全性能和结构的合理性，而且还可以节约高层建筑的造价成本。剪力墙结构的合理设计需要工作人员依据建筑物的平面布局状况得出剪力墙结构优化设计的方案，在设计人员设计好剪力墙结构方案的同时还要制定出符合设计要求的管理条例，加强对剪力墙结构的检查和监督，增强施工人员的安全意识和管理团队的科学管理水平，保证施工人员严格按照设计方案和施工图纸进行施工，保障施工的质量，特别是剪力墙结构的质量。

3.2 高层剪力墙结构方案的优化设计

①剪力墙设置方向上应该沿着主轴的方向完成双向的设置，这样能够保证空间结构的完整性；对于避震用的剪力墙结构，应该尽量防止出现剪力墙的单向布置，而在不同的受力方向上的抗侧刚度的大小上也应该尽量相等，这样能够使得建筑内部空间结构工作性能的稳定性得到相应的保证。在保证剪力墙结构的抗侧刚度以及承载力上的条件之后，可以对剪力墙的结构进行设计，尽量减小其结构的重量，从而增加建筑内部结构的可操作空间。②对于剪力墙墙肢的截面来说，应该尽量保证其简单和规则。为了保证剪力墙结构在竖向上的刚度及应力的规则，需要保证剪力墙在门窗等位置上对齐的进行布置，能够使得结构设计的简单和安全。对于墙肢上刚度相差较大的洞口，需要将墙内的钢筋设置成一定的框架模式来应对可能出现的错洞或者叠合错洞的情况。对于出现的较长的剪力墙，为了对其结构的刚性进行保证，防止出现以为脆性出现的结构的剪切破坏，应该在合适的位置开设洞口，保证分开的墙体的高度在截面长度的两倍之上，并且需要利用弱连梁进行连接。在剪力墙平面外的稳定性方面，因为剪力墙在平面内外上的刚度和承重能力上的不同，应该通过设计平面外的弯矩来对剪力墙平面外的稳定性进行保证。当出现剪力墙平面外的楼面与剪力墙墙肢的连接时，应该采取适当的措施来对连接部分弯矩对墙的影响进行控制。

3.3 剪力墙结构墙体配筋的优化设计

关于墙体配筋在剪力墙结构中的优化设计，首先要选择优质的材料，其中钢筋材料，质量验收合格是钢筋进场前的首要工作，剪力墙结构墙体配筋大多数需要把垂直钢筋安置在内部，水平钢筋安置在外部。这是因为地底下的墙体配筋相对于其他部分较多，而且地下水压和土压造成的压力较强，剪力墙结构的配筋通常符合建议标准和工程测算的最小配筋率即可。依据实际现状制定的剪力墙优化设计能够较好的减少投资成本。对剪力墙厚度的选择尤为重要，不必特意把最小厚度定为200mm，在满足结构计算要求的前提下也可采用180mm 或160mm 剪力墙。同时，剪力墙的高度和厚度息息相关，其参考标准如表1 所示。

表1 剪力墙允许高厚比

3.4 剪力墙结构连梁的优化设计

相关剪力墙结构标准中明确提出，如果连梁的跨高比大于5的时候，就需要按照框架梁的要求展开设计，这也就是表示，跨高比大于5 的连梁，它的刚度不可以减少，然而当连梁的跨高比在5～6 时，一旦刚度不减少，很有可能造成剪力过大，使得建设工程的成本增加，浪费资源。解决方法就是使跨高比大于6，这样就可以减少钢筋与混凝土的使用量，节约投资成本。

3.5 层间位移比和最大位移的优化设计

依据规定，在核算常遇地震作用标准值造成的楼层最大的弹性层间位移时，把高层变形建筑物排除以外，大多数不扣除整个结构的弯矩变形，同时算入扭转变形。所以，以高层建筑为例，首要的任务是制止楼层间和剪切变形。根据制约的垂直构件数量可以制约剪切变形，一旦单数构件布置不科学，就会产生很大的扭转变形。所以要采取适宜措施减少扭转变形，且不可以随意增设构件的刚度。

3.6 楼层最小剪力系数的优化设计

在符合短肢剪力墙承担的第一振型底部地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩低于40%的情况下，需要最大限度降低使用剪力墙，将大空间剪力墙布置方法作为目的，促进楼层最低剪力系数靠近标准规范。此方法的应用可以加大剪力墙结构的刚度和减少自重，将地震作用造成的消极作用降到最小。

4 结束语

综上所述，可知高层建筑作为建筑行业发展主流，势必会得到更加显著的发展，剪力墙结构的应用更加适应高层建筑需求。剪力墙结构尽管其延性比较差，同时也不具备一定的抗压性，但是其成本低，其他性能也比较突出。因为高层建筑类型以及具体要求都不同，因此设计人员对其设计方案进行优化，以免犯经验主义错误，影响高层建筑性能。

[1]门进杰，李慧娟，史庆轩，等.某板式住宅高层建筑剪力墙结构优化设计研究[J].结构工程师，2013，29（3）：1～10.

[2]刘礼联.小高层住宅短肢剪力墙结构设计优化措施分析探讨[J].中外建筑，2010（05）：165～167.

[3]王丽群，谭金彪.板式高层建筑混凝土剪力墙结构优化设计分析[J].门窗，2015（5）：165.