高层建筑剪力墙结构设计的要点分析

龙嘉智

（铜仁市城乡规划勘测设计研究院　贵州　铜仁　554300）

高层建筑剪力墙结构设计的要点分析

龙嘉智

（铜仁市城乡规划勘测设计研究院贵州铜仁554300）

随着科学技术的进步，建筑行业快速发展，要求建筑结构设计要树立以人为本的发展观念，而剪力墙结构在建筑工程中的利用越来越普遍。本文对高层建筑剪力墙结构设计的要点及优化设计措施进行分析。

高层建筑；剪力墙；结构设计

前言

现阶段建筑行业为了满足城市居民对高品质住宅建筑结构的需求，不仅使建筑物在外观设计上追求样式的创新，对于空间结构，在保证建筑物功能的基础上设计更加趋于人性化、美观化，在这种建筑时代背景下建筑师为了满足城市居民对建筑结构的新要求，在建筑行业发展中不断去创新建筑物的结构模式，而这便使剪力墙结构在建筑结构设计中得到了广泛应用。剪力墙在实际应用中具有结构刚度大、整体性好、抗震性能强等特点，由于剪力墙结构的多项优点使其得到了建筑企业和业主的欢迎，但是建筑行业在实际应用中要认真分析其优点和缺点，这样才能更好地提高剪力墙结构的综合利用率。

1　剪力墙概述

剪力墙也称抗风墙或抗震墙，如图1所示，是房屋构筑物中承受风荷载或者地震作用水平荷载的承重墙体，能够防止结构剪切的破坏。在立面上剪力墙常常因开门开窗，穿行管道而需要开设洞口，这时应尽量使洞口上下对齐，布置规则，使洞口至墙边及相邻洞口之间形成墙肢，上下洞口之间形成梁。规则成列开洞的剪力墙传力简捷，受力明确，受力钢筋容易布置且作用明确，因而经济指标较好。剪力墙截面特点是墙肢长度远大于厚度，自身平面内具有很大的刚度和承载力，平面外刚度和承载力都相对较小，墙肢属于偏心受压或偏心受拉构件。剪力墙一般高和宽尺寸相对较大，厚度相对较小，受力形态接近于柱，和柱的区别是其长度与厚度的比值，当比值小于或等于4时可按柱来设计，当墙肢长和肢宽之比略大于4或者略小于4时，就可以视为为异形柱，按双向受压构件进行设计。抗震设计时，墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不大于结构总底部地震倾覆力矩的50％。剪力墙的优点是侧向刚度较大，在水平荷载作用下侧移小，楼盖采用平板结构，不设梁，所以较好地利用了空间，能够节约层高。缺点是剪力墙的间距受到一定限制，建筑平面布置缺少灵活，结构自重较大。特别适用于高层住宅、公寓和旅馆建筑。

2　高层建筑剪力墙结构设计要点

2.1楼层之间最小剪力系数的调整

建筑结构设计中为了减轻结构的自身重量，避免地震发生时导致严重的后果，所以在其结构设计过程中应该在短肢剪力墙可以承受的第一振型底部地震倾覆力矩，占房屋建筑结构总底部地震倾覆力矩不能超过40％的前提下，可以根据实际要求减少剪力墙结构的布置数量。建筑结构设计过程中可以采用大开闸间剪力墙结构，这样可以保证其整体结构具有很好的倾向刚度，可以确保楼层最小剪力系数不会低于规范限制，这对减少建筑工程项目的整体造价有着重要意义。

图1　剪力墙结构示意图

2.2楼层层间最大位移与层高之比的调整

建筑结构设计过程中首先考虑的是楼层之间的扭转变形和剪切变形，而剪切变形的控制在实际上是以竖向构件的数量来决定的，但是如果所设置的构件数量过多会导致其剪重比偏大，从而使建筑结构设计不合理，导致其在实际应用中的扭转变形较大，同样使其也无法满足楼层间位移的需求。所以，在建筑结构设计过程中要尽量减少扭转变形，而不能只依靠增加竖向构件的刚度来调整楼层之间的位移。

2.3剪力墙结构连梁超限的调整

建筑剪力墙结构跨高比小于2.5的连梁容易出现剪力和弯矩超过限度的情况，所以常见的剪力墙结构中的连梁跨高比要控制在2.5以上，跨高比大于5的连梁最好以框架梁的结构模式进行设计，而跨高比小于5时就会出现剪力或弯矩超出规范限制的情况。所以在剪力墙结构设计中要利用连梁超限的调整原则，这对帮助承建单位节约建筑工程造价有着重要意义。

3　高层建筑剪力墙结构设计注意事项

在设计剪力墙结构时，需要根据建筑墙体的受力特点、墙体内力分布状态以及其破坏形态，科学地设计配筋和构造措施。在建筑结构设计中，剪力墙结构具有延性，细高的剪力墙容易设计成弯曲破坏的延性剪力墙，避免脆性的剪切破坏。当墙的长度很长时，为了满足每个墙段高宽比大于2的要求，可通过开设洞口将长墙分成长度较小、较均匀的联肢墙，使其可近似认为分成了独立墙段。在高层剪力墙承载力计算时，对带翼墙的计算宽度按以下情况取最小值。即：墙体的间距和门窗洞口间的翼缘宽度，剪力墙墙肢总高度的1/10，剪力墙厚度加两侧翼墙厚度各6倍的长度。根据墙体特点和受力特征、剪力墙内力分布状态、破坏形态，设计配筋和构造措施。剪力墙允许高厚比如表1所示。

表1　剪力墙允许高厚比

3.1优化结构设计，降低工程造价

结构设计的局部构件设计原则要符合整体设计原则，局部构件可以根据结构受力进行加强处理，不能低于整体设计的最低要求。剪力墙结构的优化设计需要基于一定前提，即保证结构的安全性和稳定性，这需要设计人员在自身优秀工作经验以及创新能力的基础上对结构设计方案进行优化，从而降低工程造价，提高工程的经济性。又或者是在造价基本不变的情况下，增加建筑物的可使用面积，丰富建筑结构的功能。在剪力墙结构中，墙是一个平面构件，除了承受沿其平面作用的水平剪力和弯矩外，还承担着墙的竖向压力。

3.2剪力墙结构的厚度和配筋

剪力墙布置需要对各种因素进行综合考量，从而使得整个建筑物的质心和刚心趋于重合，且x，y两向的刚重比接近，避免“一”字形剪力墙设计。当建筑结构较高较长时配筋宜要适当增加，在连梁部位或温度、刚度变化等极其敏感部位适当增加配筋。墙体竖向钢筋起抗弯作用，竖向最小配筋率包括边缘构件中的钢筋，钢筋间距300mm，谨防竖筋过多使墙体的抗弯强度大于抗剪强度，不利于抗震。短肢墙在抗震设防烈度为Ⅷ区不宜使用。

3.3剪力墙结构的超长

如果剪力墙墙体较长，可以设置结构洞，洞内用轻质墙体填充，这样可以有效降低剪力墙结构的刚度。如果剪力墙结构刚度大，混凝土结构受温度或收缩徐变的影响等诸多因素有关，混凝土收缩、徐变产生变形较大，剪力墙墙体对楼面产生的约束就大：当墙体结构发生收缩变形时，易出现裂缝。所以难于解决混凝土收缩变形时，保证不出现裂缝。混凝土收缩种类很多，塑性收缩和缩水收缩（干缩）是发生混凝土体积变形的主要原因，另外还有自生收缩和炭化收缩。混凝土因收缩所引起的，使用普通商品混凝土泵送施工，为了利用泵送，增大水泥含量，人为地减少中粗骨料含量和骨料粒径，加之泵送混凝土配合比和施工送料时的不良因素影响，加大了混凝土结构收缩量，增加产生裂缝的机会。如养护不周、时干时湿，表面干缩形变受到内部混凝土的约束，也往往导致裂缝。

3.4剪力墙的边缘构造

在矩形剪力墙的两侧增设约束边缘构件的主要作用在于提高墙体的延性，同时，也能够防止剪力墙发生水平剪切、滑动，有效地提高了抗剪能力，增加墙肢截面两端的翼缘能显著提高墙的延性。剪力墙边缘构件如图2所示，根据剪力墙的结构类型和受力状况，对墙两端和洞口两侧加强边缘，按墙肢在重力荷载代表值作用下墙肢轴压比的界线及加强部位要求分为约束边缘构件和构造边缘构件两类。构造边缘构件（如端柱）仅在矩形柱范围内布置纵筋和箍筋，类似于框架柱。约束边缘构件的抗震性能要高于构造边缘构件。剪力结构边缘构件的最大轴压比如表2所示。

图2　剪力墙边缘构件示意图

表2　剪力结构边缘构件的最大轴压比

4　结束语

由于剪力墙结构在建筑结构实际应用中具有优秀的抗震性和抗侧刚度大等特点，使剪力墙结构在我国建筑行业中的应用较为广泛，但是为了通过优化建筑结构来提高建筑质量，要对剪力墙结构的相关理论有一个深刻的认识，并且在实际应用中要严格遵守剪力墙结构的设计原则，并要把握住剪力墙结构的设计要点，这样才能将剪力墙结构的优点充分作用到建筑结构中，这对实现我国建筑行业在新时期的良性发展有着重要作用。

[1]付艳强.论剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用.科技风，2012（15）：11～12.

[2]秦莹.剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用.工程科技，2013（29）：34～35.

[3]赵宇.剪力墙结构设计在建筑结构设计中的应用分析.理论研究，2014 （2）：90～91.

TU937+.16

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1673-0038（2015）10-0025-02

2015-2-19