基于剪力墙结构在高层建筑中的优化设计探讨

吴金保

【摘 要】剪力墙也可以称为抗风墙、抗震墙或结构墙，是房屋或构筑物中主要承受风载荷或地震作用引起的水平荷载和竖向荷载的墙体，能够有效的防止结构剪切破坏。在高层建筑中，剪力墙的作用尤为重要，本文对高层建筑剪力墙结构设计进行优化分析。

【关键词】剪力墙结构；高层；结构优化

1.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，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。

1.1 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、工业化和城市化的必然结果。高层建筑剪力墙结构的设计则在很大程度上反应出了一个国家的建筑科技经济的发展水平。其次，随着我国经济的发展和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。为了能够有效的满足高层建筑的抗震性和经济性，因此对剪力墙结构进行更深入的研究就具有重要的理论和实践意义。

1.2 设计前提

高层建筑剪力墙结构设计有着必要性的前提。高层建筑剪力墙结构设计本身就具有很多的概念和原则。打个比方来说，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在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，并且还需要在这一前提下保持稳定。与此同时，由于高层建筑剪力墙结构还需要保证各种建筑内部的装饰、填充墙等不会在地震等作用中受到损坏，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可能出现的变形控制在一定范围内。

1.3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，并且由于剪力墙结构承受的竖向荷载和水平荷载都较大，结果在很大程度上促使了高层建筑剪力墙结构具有很好的整体性和侧向刚度。但是在这一过程中需要注意的是，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，这与高层建筑剪力墙结构设计限制有着非常大的关系。

1.4設计原则

剪力墙结构设计时，应根据规范要求综合考察结构是否合理，比如说剪力墙结构刚度不宜过大，应以规范规定的楼层最小剪力系数为目标，使计算结果接近规范限值（不小于限值），同时要使楼层层间最大位移与层高之比满足规范限值，再者，对剪力墙结构设计而言，含钢量和混凝土用量也是判断结构是否设计合理的重要经济指标，如下表1所示。

2.高层建筑剪力墙结构优化设计

高层建筑剪力墙结构优化设计需要许多方面工作的支持。以下从优化结构布置、确保结构均匀、合理开设洞口、进行结构分析等方面出发，对高层建筑剪力墙结构优化设计进行了分析。

2.1 优化结构布置

高层建筑剪力墙结构优化首先应当着眼于结构布置的优化。设计人员在优化结构布置时首先应当确保剪力墙是沿着主轴方向或者是其他方向来进行双向均匀布置。这一布置在一方面能够形成良好的空间结构抗震设计，并且还能够使两个受力方向的抗侧刚度接近，最终使其具有较好的空间工作性能。其次，剪力墙上要求开设门窗洞，因此设计人员在优化结构布置时应当针对剪力墙抗侧刚度较大的特性来进一步充分利用剪力墙的能力，例如设计人员可以减轻结构重量并且以此基础上增大剪力墙结构的可利用空间。与此同时，设计人员在优化结构布置时应当在满足楼层最大层间位移与层高之比满足规范的基础上进一步提升剪力墙的质量与使用寿命。

2.2确保结构均匀

高层建筑剪力墙结构优化还应当确保结构的均匀性。由于高层建筑按照所用结构材料可以分为钢筋混凝土结构、钢结构、砌体结构和混合结构。并且于砌体材料的抗拉强度较低，抵抗水平荷载作用的能力和延性较差，在高层建筑中很少使用。高层结构的基本受力单元包括框架、剪力墙和筒体。伴随着高层建筑的迅速增加，原来的框架结构因为露梁、露柱现象已逐渐被剪力墙结构所替代。剪力墙是以承受水平荷载为主的竖向构件，其宽度可达几十米甚至上百米。设计人员在确保结构均匀时应当避免出现墙肢刚度相差过于悬殊的洞口设置，并且当剪力墙的洞口布置出现错洞问题时设计人员应当通过采取框架形式等不同的方法来迅速的对其进行处理。其次，设计人员在确保结构均匀时应当确保剪力墙能够自下到上连续布置，从而能够有效的避免刚度突变问题的出现。与此同时，设计人员在确保结构均匀时可以沿高度选择性的减少部分墙肢，从而能够避免对于结构抗震产生不利的影响。

2.3合理开设洞口

高层建筑剪力墙结构优化需要合理的开设洞口。工作人员在合理开设洞口时应当将其分成长度较为均匀的若干墙段，并且在这一过程中采用弱连梁来进行连接，这主要是为了能够确保每个独立墙段的总高度与其截面高度之比低于3，从而能够有效的避免剪力墙产生脆性的剪切破坏。其次，由于高层住宅通常利用楼梯、电梯及竖向管道井等部位设置剪力墙，形成相对完整的筒体。设计人员在进行抗震设计时应当尽量避免在洞口与墙边或者是在两个洞口之间形成墙肢截面高度与厚度之比小于4的小墙肢。与此同时，设计人员在设计小墙肢截面高度小于墙厚的4倍的剪力墙时应当按框架柱来进行设计，并且在这一过程中合理的控制剪力墙平面外的弯矩，从而能够在此基础上保证剪力墙平面外的稳定性。

2.4 进行结构分析

设计人员在高层建筑剪力墙结构优化时应当进行细致的结构分析。设计人员在进行剪力墙的结构设计时应当首先通过结构分析来满足最大层间位移、周期比、位移比等重要的结构各项指标。其次，设计人员在进行结构分析时应当考虑到不同抗震等级情况下剪力墙的稳定性和相关构造要求，并且还应当根据《高层建筑混凝土结构技术规程》中的有关规定来进行设计。与此同时，设计人员在进行剪力墙的结构设计时应当根据规范要求综合考察结构是否合理和剪力墙结构的具体刚度，来最终提升结构整体的稳定性。

3.结束语

剪力墙结构的优化设计在高层建筑中起着非常重要的作用，我们在施工设计中应根据具体的要求，选择最合适的优化，这样才能有效地保证我们工作的开展。不过高层建筑中剪力墙结构的要求相比传统建筑要高的多，加之新的规范与标准，这些都会给我们的设计工作提出新的问题与挑战。所以，我们在剪力墙结构的优化设计中要多思考、多总结，不断学习先进的经验来充实自身，通过这些手段，我相信在不远的将来我们的设计水平必将上升到一个新的档次。

参考文献

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