高层建筑剪力墙结构优化设计分析

王俊宏

摘要：随着我国经济的不断增长，建筑行业的快速发展，高层建筑的施工质量问题越来越引起了人们的重视。其中，剪力墙结构体系刚度大，整体性好，抵抗侧向变形能力强，抗震性能较好，在我国高层住宅、宾馆等居住性建筑中广泛使用。本文笔者通过多年的工作经验及结合相关资料对高层建筑剪力墙结构优化设计展开分析。

关键词：高层建筑；剪力墙；结构设计

1 高层剪力墙结构的受力特点

剪力墙结构是以剪力墙及因剪力墙开洞形成的连梁组成的结构，是用钢筋混凝土墙来抵抗竖向荷载和水平力，其变形特点为弯曲型变形。剪力墙结构中，墙是一平面构件，它除承受沿其平面作用的水平剪力和弯矩外，还承担竖向压力，是在轴力、弯矩和剪力的复合状态下工作。其受水平作用下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满足刚度强度要求外，还必须满足非弹性变形反复循环下的延性、能量耗散和控制结构开裂而不倒的要求，墙肢必须能防止墙体发生脆性剪切破坏。对剪力墙结构，结构设计人员主要考虑的问题是水平荷载、轴向变形、结构侧移及结构延性等方面。

2 剪力墙结构的优化设计中的注意事项

剪力墙的优化方案可从结构样式、墙体截面和施工材料方面着手。分析建筑的功能需求，同时控制施工的成本，探究适宜的结构体系。相对于高度较小（20 层）的建筑，考虑使用短肢剪力墙的结构方案。但对于楼层较高的建筑结构，短肢结构的承载能力与强度并不能满足高层建筑的需求，采用传统方式浇筑的剪力墙轴压较小，这样不仅耗费的资金多，而且不能保证剪力墻的承压能力达到标准。相对与20 层以下建筑可采用短肢剪力墙的设计，其抗震性能可以达到一般的标准要求，并且因为短肢墙的建筑过程可用其他材料代替钢筋混凝土（如砖块），钢筋混凝土的用量减少，不仅可以降低费用，而且可减轻墙体重量，使重心下移，提高剪力墙的抗震性能。在框支结构设计当中中，短肢剪力墙的方案可运用到上部剪力墙结构体系中。一般不提倡通过增加下层刚度的做法来达到降低上下层刚度比的目的，而是采用短肢剪力墙结构设计，达到降低上部剪力墙的刚度，并且能很大程度上节约成本，提高效益。但在多楼层的建筑中，由于使用，会导致墙体塑性增加、底部剪力系数偏低、层间位移难以满足标准要求，造成建筑的安全性难以保证，所以在此类的建筑中，并不提倡使用短肢剪力墙结构设计，行业内普遍的做法是采用全现浇剪力墙结构方案，可有效提高墙体的安全性。然而，即使采用全现浇剪力墙结构方案，墙体刚度值稍仍会偏大，此时可以通过布置窗洞或填补窗洞的方式来达到调整墙体刚度的目的。

3 高层剪力墙结构设计优化

3.1 转换层的设计

建筑功能的多样化使得建筑的上下结构以及使用功能也随之而变化，所以在实现建筑结构变化中，要尽量注意建筑转换层结构的设计，现在常用的转换层有厚板转换层、巨型梁转换等。细细来说，其一，进行转换层自身重量控制，采用梁系转换的方式来进行厚板厚度控制和转换层质量控制；其二，严格控制刚度进行高位转换的同时，转换层的刚度提升相对较快，所以要对转换层上下部分的刚性比。进行相对调整，用空间分析的方法，空间承载力能得到相应的控制；其三，进行转接控制。在转换梁与中筒连接设计中，要把钢筋混凝土柱连接在转接范围内的筒体处，加强连接以防止地震时脱节现象的发生。

3.2 剪力墙的抗震优化设计

相关机构对我国历史上的地震记录进行分析研究后表明，之所以高层剪力墙结构会在地震中出现严重的破坏，究其根本原因就在于高层剪力墙结构的底层刚度与上部刚度之间的差距往往太过于悬殊，一旦当地震作用集中在其底层时，就会导致底层出现极其突出而明显的弹塑性集中变形。因此对于高层剪力墙结构而言，底层刚度与上部刚度之比必须要进行严格的控制，这是最为关键的一点。另外，由于不同地区的抗震设防烈度也不尽相同，因此在高层剪力墙结构设计中对于抗震方面也要有区别对待，以保证其经济合理性。

3.3 连梁设计

在对连梁抗震性与非抗震性设计时，从高跨比上来分类主要有两种，分别是高跨比大于2.5与小于2.5两种，同时这也对受剪承载力与截面的配筋有着相应的规范要求。因此在对连梁设计时可以采用两种方式，首先是在开始计算内力之前，要先拆减连梁本身的刚度。其次，是在计算内力之后，还需要在连梁的弯矩组合与剪力上乘以折减系数，在计算的时候还需要注意的是，无论采取哪种算法，在实际使用时都需要来确定相应的剪力和弯矩设计值，并且这个数值要比调整之后的数值要小。另外，在设计弯矩的时候，也要根据低于预防烈度一度地震组合值来获得，这样就可以保证在正常使用情况下，或者是出现小型地震时，可以有效的预防裂缝，最终保证高层建筑的结构安全。

3.4 剪力墙的配筋优化设计

合理的确定剪力墙结构底部加强区部位，剪力墙分为底部加强区范围和非底部加强区范围，底部加强区要求高、墙厚大。当剪力墙轴压比大于一定数值厚，必须设置约束边缘构件，而约束边缘构件的配筋远大于构造边缘构件。因此在结构设计中严格区分抗震墙的底部加强部位和非加强部位，对钢筋用量而言具有很大意义，随意扩大抗震墙的底部加强区会增加钢筋用量。

墙的水平分布筋是为横向抗剪以防止墙体在斜裂缝出现后发生脆性剪切破坏，同时起到抵抗温度应力防止混凝土出现裂缝，设计中当建筑物较高较长或框剪结构时配筋宜适当增加，特别在连梁部位或温度、刚度变化等敏感部位宜适当增加。墙的竖向钢筋主要起抗弯作用，目前在一些多层及高层剪力墙中电算结果多为构造配筋。抗震墙中的墙段竖向分布筋通常都不是由内力控制，其作用主要是固定水平分布筋，防止墙面出现水平收缩裂缝，故其间距通常取200mm ，最小直径8mm ，仅需满足最小配筋率，不必随意提高其配筋量。

3.5 剪力墙的平面布置的优化

剪力墙布置的优劣直接关系到整个结构的经济指标，在设计中做好剪力墙的布置，应采取下列措施：强周边、弱中部；多均匀长墙、少短墙；多L形、T形、十字形墙肢、少复杂形状；沿高度均匀变化，各墙肢轴压比接近。剪力墙应双向布置，形成空间结构，并宜使两个方向的刚度接近。剪力墙平面上力求简单、规则、对称，否则建筑物的质心和刚度中心会有较大偏移，一旦受到水平荷载作用，剪力墙结构会绕着刚度中心发生扭转。单片剪力墙的突出长度不能过长，过长的剪力墙容易受剪，抗震性脆弱，一般要求剪力墙的墙段长度不宜大于8m。

4 结束语

总而言之，高层建筑设计不仅要满足结构安全、功能适用等要求，还应做到结构体系受力合理、材料用量尽可能少。高层建筑剪力墙结构应用量大，应进行反复的优化设计，在重视概念设计的前提下，认真调整各项技术参数，使结构达到相对较优的结果。只有这样才能即保证建筑结构在平时和震时保证安全，保证使用上的舒适度，又能为社会节省大量的投资，这是我们每位结构设计工作者应尽的职责。

参考文献：

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[5]王翠侠 高层建筑剪力墙结构优化设计浅析 [J] 城市建设理论研究（电子版），2013.