高层建筑剪力墙结构设计的要点

罗海广

广东名都设计有限公司 510095

摘要：近年来，我国的社会经济水平不断发展和提高，作为一个高层建筑重要的组成部分的连梁剪力墙结构，是墙的应力传递纽带的一个十分重要的环节间的、延性、刚度、耦合强度等特性均会对剪力墙的性能产生影响。本文针对提高建筑剪力墙结构设计进行探讨。

关键词：剪力墙；结构设计

剪力墙结构广泛应用在高层建筑当中，剪力墙结构的整体性强、刚度大，可以大大有助于解决高层建筑防震等问题。通常剪力墙结构会出现在分间比较多的建筑物中，比如旅馆等，剪力墙结构可以让房间的分隔墙和承重墙合二为一，可以节省空间，又可以符合房间建筑强度的要求。使用剪力墙结构，可以隐藏室内的房梁等结构，让室内的墙体整体看上去更整体性、美观、简洁，利于进行室内的布置。但是剪力墙结构也存在一些弊端，要通过优化剪力墙结构设计的方式来降低高层建筑的剪力墙结构中存在的弊端。

一、剪力墙的基本概念

高层建筑剪力墙结构设计时在高层建筑中广泛应用的一种墙体结构，这种墙体结构的原料主要是钢筋混凝土，用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱，能承担各类荷载引起的内力，并可以对结构的水平力进行有效的控制，这种用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构称为剪力墙结构，这种结构被大量运用在在高层房屋中。剪力墙截面具备以下几点特点：有着墙肢长度远大于厚度，并且自身平面内具有很大的承载力与刚度，平面外刚度和承载力都相对比较小，墙肢属于偏心受压或者偏心受拉构件。与此同时，在剪力墙结构中，墙属于一个平面的构件，除了可以承受沿其平面作用的水平剪力以及弯矩之外，还能够承担竖向压力；在轴力、剪力、弯矩的复合状态下进行工作，其受水平力作用时似一底部嵌固于基础上的悬臂深梁。在地震作用或风载下剪力墙除了需要符合刚度强度要求，还得满足非弹性变形反复循环下的延性、能量耗散以及控制结构裂而不倒的需求。另外，在高层建筑中，剪力墙的设计隐藏了大量的承重柱，能够使房屋内部建造更加美观、简洁，可以普遍满足我国居民对建筑内部的美观性的需求，而且可以为室内设计提供很大的空间，满足现代城镇居民的生活需求。

二、剪力墙的分类

剪力墙由于其孔洞的数量与大小的不同，影响其内力分布、受力特点以及变形状态，根据其开洞的情况，能够分为整截面墙、联肢墙、整体小开洞墙等。

1、整截面墙：剪力墙不开洞或洞口面积小于总面积的16%，而且洞口长边尺寸平均低于洞口至墙边的净距和洞口净距。受力性能类似整体的悬臂构件，墙肢法向应力分布呈线性，破坏形态似偏心受压柱，在设计的时候，需要尽可能地把竖向钢筋分布在墙肢两端。

2、联肢墙：当剪力墙的洞口沿竖向成列布置，洞口面积超过墙体总面积的16%，各墙体由连梁连接，墙肢单独作用明显，连梁中部出现反弯点。

3、整体小开洞墙：当剪力墙洞口上下对齐，成列布置，洞口稍大，形成明確的墙肢和连梁，墙肢和连梁刚度较均匀。受力性能也可按整体悬臂构件考虑，并应考虑墙肢的局部弯矩，水平荷载引起的整体弯矩的85%以上由墙肢轴力所产生的内力矩来平衡，局部弯矩不超过整体弯矩的15%。

三、剪力墙结构的特点

高层建筑剪力墙结构是使用钢筋混凝土铸造，具有良好的刚性强度和稳定性，可以有效抵抗外界的压力，打下一个高层建筑的建造的良好基础。剪力墙结构的设计使用可以减低施工施工单位的建材成本，剪力墙结构中主要使用的原料是钢筋混凝土，价格比较低廉，又可以满足建筑强度的要求，在一定程度上使施工单位的经济效益得到提高。由于剪力墙结构取代了传统的建筑承重系统，因此，不会在建筑物室内中出现太多的承重，最大程度节省了建筑室内的空间，使室内设计更加美观，降低了楼房建筑的空间局限性。与此同时，剪力墙结构也存在着一定的弊端，在高层建筑使用过多的剪力墙结构时，会使建筑在遭遇强度大的地震时出现巨大的反震力，导致降低建筑楼体的安全性。而且剪力墙结构所需的钢筋混凝土材料大部分要求不高，所以在进行建筑施工时很容易出现建筑质量等问题，造成建筑及居民的人身财产安全受到很不利的影响。

四、剪力墙设计的原则

在剪力墙设计中，即要符合位移限值的要求，又要发挥框剪结构中各抗侧力构件的作用，做到安全、经济合理。剪力墙合理数量的确定原则是：在满足规范规定的位移限值条件的前提下，应尽量减少剪力墙数量，可是应该满足在基本振型地震作用下，剪力墙部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%。与此同时，规范规定框架部分承担的剪力至少为底部总剪力的20%，或各层框架承担的地震总剪力中最大值的1.5 倍。

五、提高高层建筑剪力墙结构设计的相关措施

1、防止出现独立小墙肢，剪力墙刚度不宜太大

在《高层建筑混凝土结构技术规程》中有明文规定：“矩形截面独立墙肢截面的高度不适合小于截面宽度的五倍。”如果出现以上情况，要严格限制墙肢轴压比、配筋等，设计施工都较为困难。在实际的设计中，基本上独立小墙肢是能够通过合并洞口等方法解决的，或者对剪力墙进行合理的布置，让小墙肢成为墙体翼缘，其受力状态明显好于独立小墙肢，秩序适当地加强配筋就行了。同时，剪力墙结构还得具备一定的延性，细高的剪力墙容易设计成弯曲破坏的延性剪力墙，以此可以避免脆性的剪切破坏。

2. 优化连梁设计

按照《高规》在连梁设计方面的要求，对于连梁抗震及非抗震设计时高跨比大于2.5 及小于2.5 两种情况，在配筋方面和截面受剪承载力有不一样的规定。因此，需要把连梁进行塑性调幅，从而减少剪力设计值。塑性调幅可以选择使用2种方式：（1）在内力计算之前折减连梁的刚度；（2）在计算内力后，把连梁弯矩与剪力组合值乘以折减系数。不管选择什么方法，连梁调整后的剪力设计值、弯矩不可以低于使用状况的值，也不能低于比设防烈度低一度的地震组合所得的弯矩设计值，防止在平常使用条件下，或者较小的地震作用下，出现连梁裂缝。与此同时，还得重视连梁的铰接处理。

3.底部加强部位的设计

在设计剪力墙时，通常高层剪力墙结构，底部加强部位的高度可以取底部两层高度二者的较大值，以及嵌固部位以上墙肢总高度的1/8；底部带转换层的高层建筑结构，其剪力墙底部加强部位的高度可以取墙肢总高度的1/8 二者的较大值及框支层加上框支层以上2 层的高度。如果把地下室顶板作为嵌固部位，在受到地震的影响下，屈服部位就会发生在地上楼层，并且还会影响着地下一层，此时，地下一层的抗震等级不可以降低，提高部位的范围需要向下延伸到地下一层，而且还要根据相关的要求规范，在地下一层设立约束边缘的构件。

4. 剪力墙结构的抗震薄弱环节以及概念设计

振动台模拟地震试验结果表明，剪力墙结构的抗震薄弱环节是：建筑平面外边缘及底部外围的小墙肢、角点处的墙肢、连梁等。如果有扭转效应，首先开裂的就是建筑平面外边缘以及角点处的墙肢；在受到地震的影响下，高层剪力墙结构会以整體弯曲变形为主，底部表面的小墙肢，截面的面积较小而且承受较大的竖向荷载，从而有较为严重的破坏，特别“一”字形小墙肢受到较为严重的破坏；由于在剪力墙结构中墙肢的刚度相对会降低，从而导致增加了连梁受剪破坏的可能性。所以，对这些薄弱环节，在剪力墙结构设计中就要进一步加强抗震构造措施以及抗震概念的设计。比如，在平面上剪力墙的分布要均匀，尽量让建筑物质中心与其钢度中心接近，以降低扭转效应。

高层结构中连梁是一个耗能构件连梁的剪切破坏会使结构的延性降低，这样会不利于抗震，因此在进行设计时，需要注意对连梁进行“强剪弱弯”的验算，确保连梁的受弯屈服先于剪切破坏；剪力墙适宜在2个方向均有梁与之拉结，连梁）适宜布置在各肢的平面里，防止采用“一”字形墙肢；剪力墙底部的部位配筋要符合相关要求。

六、结束语

高层建筑剪力墙结构的设计，有着提高建筑性能的良好作用。因此，在进行剪力墙结构设计时，应当根据工程具体的特点，正确计算、分析剪力墙其受力状态，结合其破坏形态进行设计并达到结构的安全性。唯有熟练、清楚地掌握规范，具备一个结构概念，才可以设计出安全、优秀、实用又经济的建筑作品。

参考文献：

[1]杨光.高层建筑剪力墙结构设计优化探究[J].科技致富向导，2014（32）.

[2]陶善雨.高层建筑剪力墙结构设计优化探究[J].黑龙江科学，2014（10）.

[3]王昉.高层建筑剪力墙结构设计优化探究[J].科技致富向导，2014（20）.

[4] 吴昊天. 高层建筑剪力墙结构设计优化探究.科技创新与应用.2015.（15）

[5] 方鄂华.高层建筑钢筋混凝土结构概念设计.机械工业出版社，2004.

[6] 沈蒲生.高层建筑结构设计.中国建筑工业出版社，2006.

[7] JGJ3-2002，高层建筑混凝土结构技术规程.中国建筑工业出版社，2002.