对工程建设中剪力墙结构的优化分析

易世方

【摘要】高层民用建筑剪力墙结构是主要的抗风抗震结构构件，因为剪力墙结构的水平刚度大，在风荷载或者小震作用下，能够防止高层结构的侧向位移而导致的剪切破坏，要想合理的对民用建筑剪力墙结构进行设计，就要严格控制好剪力墙结构的水平位移和地震力这两个因素。

【关键词】剪力墙结构；结构布置；结构设计；比值

一、高层建筑剪力墙具体位置优化分析

设计人员在对剪力墙进行安排布置时，要达到最好的预期目标就是采用双向布置法或者是多向布置法，方向的延展性要尽可能与主轴方向保持一致，如果方向由于特殊原因出现不一致，就应该尽可能把两者结合在一起，绝对不能出现对直现象和拉通现象。在具体的布置过程中还要考虑到它的抗震性能，保证它的侧向刚度差别不会太大，最关键的是一定要确保墙肢见面尽可能的简化并按照相应的规则进行操作。

如果是在高层建筑中，剪力墙设置就要按照双向或者是多向的原则进行设计，而且设计的基本原则就是要保持与主轴的方向一致，特别是在抗震性能的设计上，要保证墙体的协调配合，不能够出现单方向的有墙而另一方向没有墙的现象，这样才可以保证剪力墙作用最大化发挥和体现。

对于剪力墙的刚度保持方面，在进行剪力墙设置时要保证剪力墙在竖直方向上按照从下往上的方向连续布置，这样可以降低刚度突变现象发生。在高层建筑中，剪力墙设置中其墙肢截面要按照简易的原则，在竖直方向的刚度上要保证其是均匀状态，另外，剪力墙的开口洞口或者是门窗要形成明确的墙肢和连接梁。

剪力墙设置要有一定的空间，不能过于密集，要确保整个结构具有相互适应侧向的刚度，如果这个侧向刚度过大时，对建筑本身是非常不利的，一方面会增加其墙体本身的重力，而且还会降低其抗震性能，导致地震发生时震力过于强大，给建筑的整体稳定性带来极大的威胁。

在剪力墙设置中，剪力墙的洞口或者是门窗设计一定要保证上下对齐，并且按照列的形式布置，与此同时还要尽可能避免叠合的错墙洞使用，一旦使用就会很容易造成剪力墙承载量降低，进而出现变形现象，危害到建筑整体安全。

二、高层建筑剪力墙结构优化设计

（一）结构布置的原则

合理布置剪力墙对于结构设计十分重要性。众所周知，在剪力墙平面布置中，应尽可能地使结构的质量中心和其刚度中心接近或重叠，这样对减小结构扭转效应有着显著作用，因此势必要求剪力墙结构平面布置上要尽可能简单、对称、规则、且两个方向抗侧刚度相接近。同时为了保证竖向抗侧刚度及承载力不会发生较大突变，竖向抗侧力构件同样要求规则、均匀、连续且质量沿高度亦应均匀分布。

（二）特殊墙肢的使用

结构设计一定要注意特殊墙肢的使用，如短肢墙，一字墙，异形柱等，对于高层剪力墙结构，由于特殊墙肢使用数量过多，导致结构刚度差，一旦发生地震，结构刚度退化迅速，变形严重，地震防御能力将严重丧失。同时，短肢墙、异形柱此类构件在承受荷载较大时，轴压比控制不当，容易造成过早压坏引起楼板坍塌危险；特别是一字短肢墙，不仅具有短肢墙缺点，同时还存在稳定性差的特点，这些特殊墙肢在结构布置时一定要尽量少用，最好不用。

（三）构造措施的运用

构造措施对于提高结构延性至关重要。轴压比控制，边缘构件设置等都可以大大增加结构塑形变形能力，是实现结构底部预期破坏模式的重要保证。在边缘构件设置中，要注意过渡边缘构件的合理设计，过渡边缘构件灵活设置是抗震概念设计和性能化设计的重要內容，在结构设计中往往被忽视。过渡边缘构件的体积配箍率特征值规范尚未给出明确规定，设计时可参考约束边缘构件和构造边缘构件体积配箍率特征值之和的平均值采用，即可取（λV+0.1）/2进行计算。对于构造边缘构件中的纵筋配置应按承载力计算和构造要求二者中的较大值设置，对于计算配筋者，切忌盲目按构造配置，否则容易造成剪力墙的截面脆性破坏。

（四）加强部位的选取

高层剪力墙结构设计最重要概念之一结构嵌固端选取，合理选取嵌固端是结构力学计算前提条件。嵌固端理论上是一个端面，它是约束结构所有位移和转角的特殊部位，即在该处，所有结构的位移和转角均为零，然而实际工程中这样的理论位置并不存在，工程中我们假设的嵌固部位是这样一个区域——结构预期塑性铰出现的部位，换言之，在塑性铰可能出现的部位我们通过人为加强其构造，从而保证结构破坏具有足够的延性，不致结构直接倒塌，这是设置底部加强部位的终极目的。

设置底部加强部分固然重要，但考虑到经济性，通常取地下室顶板作为结构嵌固部位，这在实际工程设计中意义重大。首先，无论结构在该处是否具有嵌固条件，该位置的嵌固作用或大或小均是客观存在的，进行多位置嵌固包络设计又会大大增加结构设计工作量。其次，规范明确规定约束边缘构件设置范围下至嵌固端，下移嵌固端时约束边缘构件设置范围随之增大，进而经济成本随之增加，特别是多层地下室结构，当嵌固端移至基础顶面时经济成本增加尤为明显，这是不可取的。

三、高层建筑剪力墙各计算指标的把控

本小节着重对工程设计中的一些重要计算指标进行分析，并给出其优化设计的建议。

（一）轴压比

柱（墙）轴压力设计值与柱（墙）的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比。它是影响墙柱抗震性能的主要因素之一，规范通过限制轴压比保证柱墙具有良好的延性和耗能能力。比值超限时，可以通过增大该墙、柱截面或提高该墙、柱混凝土强度从而降低该数值；当比值接近限值时，对于柱子可以通过构造措施提高其延性进而放大其限值。

（二）刚度比

结构不同楼层的侧向刚度的比值。该值主要为了控制结构竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层。对于地下室结构顶板能否作为嵌固端，转换层上、下结构刚度能否满足要求以及薄弱层的判断，均以该比值作为依据。当比值不满足时，通常可适当降低本层层高和加强本层墙、柱或梁的刚度，适当提高上部相关楼层的层高和削弱上部相关楼层墙、柱或梁的刚度以实现刚度合理分布。

（三）周期比

结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1比值。该值主要为控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响。比值不满足时，说明结构扭转效应过大。总的调整原则是加强结构外围墙、柱或梁的刚度，适当削弱结构中间墙、柱的刚度。特别是对于设置转角窗的结构，加强角部梁截面对于抵抗扭转非常有利。

（四）剪重比

即最小地震剪力系数λ。该比值主要是控制各楼层地震剪力，尤其是对于基本周期大于3S的结构，以及存在薄弱层的结构。根据该比值的大小判断结构布置是否合理，大致可做如下判断：1.当地震剪力偏小而层间位移角偏大时，说明结构过柔，宜适当加大墙、柱截面，提高刚度；2.当地震剪力偏大而层间位移角偏小时，说明结构过刚，宜适当减小墙、柱截面，降低刚度；3.当地震剪力偏小而层间位移角又恰当时，可通过放大地震作用以满足剪重比要求。

（五）位移比

即楼层竖向构件的最大水平位移与平均水平位移的比值；层间位移比即楼层竖向构件的最大层间位移角与平均层间位移角的比值。该比值的控制主要是为了保證结构具有必要的刚度，合理的结构平面布置，避免扭转过大对结构抗震不利。当该比值不满足时，通常加强最大位移点处或附近的抗侧构件刚度是最直接有效的办法。

（六）刚重比

结构的侧向刚度与重力荷载设计值之比。它是影响重力二阶效应的主要参数，且重力二阶效应随着结构刚重比的降低呈双曲线关系增加。高层建筑在风荷载或水平地震作用下，若重力二阶效应过大则会引起结构的失稳倒塌，控制好结构的刚重比可以避免结构在风载或地震力的作用下整体失稳。该比值不满足时，只能通过人为改变结构布置，加强墙、柱等竖向构件的刚度。

（七）层间抗剪承载力之比

顾名思义，为相邻上下两层或若干层的抗剪承载力之比。该比值是结构竖向不规则性的直接反应，合理的比值是防止出现竖向楼层受剪承载力突变，形成薄弱层的有力保障。该比值不满足时，可适当提高本层构件强度（如增大配筋、提高混凝土强度或加大截面）以提高本层墙、柱等抗侧力构件的承载力，或适当降低上部相关楼层墙、柱等抗侧力构件的承载力。

参考文献

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