剪力墙结构的优化设计

姚永峰

(河南省建筑设计研究院有限公司, 河南 郑州 450014)

随着我国经济社会的发展，特别是新型城镇化进程的加快，我国城市人口不断增加，为了缓解城市人口压力，高程建筑应运而生，甚至出现了超高层建筑。在高层建筑结构设计中，通常都采用剪力墙建筑结构，而如果通过优化设计保证建筑结构的安全性，乃是目前重要的研究课题之一。本研究主要就高层建筑剪力墙结构优化设计做了有益的分析与探讨，为剪力墙结构优化设计提供参考与借鉴。

1 高层建筑剪力墙结构

高层建筑混凝土结构技术规程中对高层建筑剪力墙结构的应用做出了明确规定，认为高层建筑结构不应全部采用剪力墙结构，如果短肢剪力墙结构较多时，可布置一般剪力墙或者筒体来形成断肢剪力墙和筒体，从而形成一种共同抵抗水平力的剪力墙结构[1]。而在高层建筑抗震设计时，墙体筒体通常承受的是第一振型底部地震倾覆力矩不超过结构总底部地震倾覆力矩的1/2。这种情况下剪力墙结构是安全的，属于短肢剪力墙结构。

但是短肢剪力墙结构抗震性能差，且不具有良好的经济指标，在实际工程中，特别是地震带上的高层建筑不适用。在高层建筑设计中，应尽量使用竖向或水平结构，科学分布刚度和承载力，确保剪力墙结构的高度符合要求。在布置上，剪力墙结构不必均为大开间剪力墙，有效满足荷载传递要求即可。在设计时，尽量将剪力墙设计为“L”形，这种结构形式有助于结构的稳定性，也能满足侧向刚度。在各项指标符合规范的条件下，尽量减轻结构自重和减少结构构件，以尽可能降低工程成本[2]。按照工程经验，“T”形和“L”形剪力墙，如果一墙体不符合要求时，则另一方墙体的墙肢不宜过短，严格控制在1m，确保墙端暗柱配筋符合要求。

2 剪力墙的概念和结构效能

高层建筑使用建筑剪力墙结构，不仅仅是因为剪力墙结构综合性特点，但还是由于其具有投资成本低和坚韧度高等特点，这两个特点是剪力墙在高层建筑结构中广泛应用的原因[3]。在高层建筑中使用剪力墙结构，可降低工程造价，与其他结构相比，优势较大，特别是与框架结构相比，剪力墙结构的外观更加美观。

在高层建筑中利用剪力墙结构，不仅适合建筑结构的整体布局，而且还可满足建筑物的平面结构。在整体建筑中，剪力墙结构属于一个构件，抗震效果显著，且抗风、传导荷载能力等方面均比其他结构要优越。

在建筑结构中应用剪力墙结构，需要剪力墙结构符合建筑整体布局和平面结构，同时剪力墙结构也是建筑物的“隔离墙”，是整个建筑中主要承载部分。众所周知，剪力墙结构具有空间小的特点，因此在使用剪力墙结构时，一般而言会以混凝土结构作为楼层盖板，这种设计不仅能节约楼高，而且还能提高建筑空间的利用率。

在高层建筑中剪力墙结构广泛应用，另外一个重要原因在于，剪力墙结构的抗侧力性能与承载性能良好。不过，世界上没有完美的结构，剪力墙结构的不足之处也是显而易见的，比如空间间距限制大、建筑物设计灵敏度和不适用于大型建筑物等。

3 剪力墙的分类及特点

剪力墙结构属于建立墙体的一种，也就是建筑墙肢截面高度与厚度比值在5~8之间，同时也是用钢筋混凝土板替代建筑物承受水平、竖向荷载力的墙体。在上面的论述中已经提到，剪力墙结构墙面平整、承重力强、抗侧刚度大，在高层建筑中广泛应用，但是并不意味着其适用于全部建筑结构：第一，剪力墙结构造价高，工艺复杂；第二，建筑过多使用建筑剪力墙结构，建筑物质量会严重受损，影响建筑物的寿命[4]。

另外，在设计剪力墙结构时，还要充分考虑抗震能力，并准确把握其承受地震倾覆力矩与结构所承受的地震力矩间的比值。严格控制剪力墙结构数量，将减轻力矩控制在15~40范围以内[5]。

当前，剪力墙分为四种，而分类的依据使剪力墙墙体开洞与否或开洞的大小。

一是实体墙。它是一种开洞或无开洞墙体结构，如果开洞，则开洞面积＜15%，这种实体墙为曲型变形，不存在弯点，不会发生突变。

二是小开口的剪力墙。开洞面积占整个墙体15%以下的墙体称之为小开口剪力墙，这种剪力墙的受力特点是：连梁处发生突变的可能性大，但墙体弯矩图无弯点。并

三是双肢或多肢剪力墙。这种剪力墙是指开洞面积较大或墙体洞口呈列状分布的墙体，与整体小开口剪力墙的受力特点极其相似。

四是壁式框架剪力墙。这种剪力墙是指墙体开洞较大、墙肢线上与墙体连线上刚度比较接近；剪力墙的受力特点与其他结构不同，在弯矩图处会出现突变，但是在建筑多数楼层内不会产生突变。

4 剪力墙结构优化布置原则

在进行剪力墙结构优化布置时，需要遵循以下几个方面的原则：

一是具体问题具体分析原则。在应用建筑剪力墙结构时，需要根据工程的实际情况运用，而不能一味使用剪力墙，通过实地考察等，确定剪力墙结构使用的数量、规模等，避免过度使用。

二是安全性原则。在建筑中使用剪力墙结构，要遵循安全原则，使用剪力墙结构后建筑结构应更加牢固和安全。剪力墙结构对于提升结构抗震性能具有重要意义，因此需要遵循安全性原则。

三是严格规范原则。在进行剪力墙结构优化布置是，要遵循严格遵循规范原则，剪力墙结构设计要遵循相关规范、标准和规定等，提升剪力墙结构应用的实际效果。

5 工程结构剪力墙部分的优化

5.1 剪力墙结构优化设计

剪力墙结构的长度、宽度，均要大于厚度，按照构件设计要求，在结构设计中要使用不同的长度与厚度。根据剪力墙结构厚度规定，符合一级、二级抗震时，其厚度超过20cm，楼层高度≥1/16[6]。而为了保证结构连接，降低墙体厚度，则需要在设计过程中，根据设计规范和要求，严格控制墙肢轴压比例。

5.2 剪力墙结构优化计算

剪力墙结构的优化计算：调整建筑物层间最小剪力系数，在不超过规定系数范围内，尽量少使用剪力墙结构，并严格控制层间剪力系数；二是遵循剪力墙连梁超限调整原则，在设计过程中，按照结构设计标准，将连梁跨高比值＞2.5，对于易出现框架梁的部位，可用连梁方式进行建设。

6 剪力墙优化及分析对比

剪力墙结构首先在平面布置中有着很好的应用，在平面中应用，要遵循对称、均匀原则，合理布局墙面结构刚度与质量重点，减少弯矩[7]。而在内外剪力墙中应用，则不应采用单项有墙布置形式。

在进行构件设计时，严格按照级别和类型分析剪力墙轴压比，合理选择边缘构件。同时，分析剪力墙钢筋，比如二级地震建筑使用钢筋与一级建筑使用钢筋不同。另外，这对于约束边缘构件的处理上，应将无约束边缘矩形界面剂极限承载力降低40%，从而降低对墙面稳定性的不良影响。

通过比较分析可知，在建筑中特别是高层建筑中使用剪力墙结构，结构的稳定性增强，抗震性能提高，建筑性能更加稳固。

7 结语

随着我国新型城镇化进程的加快，剪力墙结构在高层建筑中得到了广泛的应用，提高了建筑结构的强度，使建筑可更好发挥其性能。但是建筑剪力墙结构也存在明显的不足，就是调整的灵活性小。为了更好提高建筑剪力墙结构在建筑中的应用，需要根据工程实际，对剪力墙结构进行优化设计。文章从建筑剪力墙结构概念、分类、优化设计原则和分析比较等方面探讨了该命题，认为优化设计后的建筑剪力墙结构值得在建筑结构中进一步推广和应用。

[1]刘剑.高层建筑剪力墙结构优化设计探讨[J].技术与市场,2011,05:50+52.

[2]贺海斌,朱学文.高层剪力墙结构中剪力墙抗侧刚度的优化设计研究[J].工程建设与设计,2011,09:58-61.

[3]陈耀.高层建筑剪力墙结构优化设计分析探讨[J].福建建材,2011,04:36-37+39.