剪力墙结构的优化设计分析

王磊

摘要：最近几年，我国高层建筑物在许多的城市中建设的越来越多，其规模也越来越大，剪力墙结构的抗侧刚度非常大，其竖向的承载力也非常大，所以，其在高层建筑物建设中的应用也越来越普遍了。本文主要讲述了剪力墙结构设计的优化原则，并对剪力墙结构设计进行优化分析。

关键词：剪力墙结构；优化设计；分析

中图分类号：TU973.16 文献标识码：A 文章编号：1674—3024（2016）11—157—02

前言

剪力墙结构是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，并能有效控制结构的水平力，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。这种结构在高层房屋中被大量运用。在整个剪力墙结构设计中，了解剪力墙的分类以及受力形式，并在设计过程中，运用一些可靠且有效的优化原则，对于剪力墙结构优化设计来说是十分重要的。

1高层建筑剪力墙的分类

剪力墙根据是否开洞以及开洞的大小可以分为以下几个类型。

1.1实体墙

实体墙就是指没有开洞或者开洞的面积小于整个墙体面积15%的墙体。其具有悬臂墙的受力的特点。其弯矩图是没有突变，也没有拐点，整个墙体的变形是以弯曲型为主。

1.2整体的小开口剪力墙

主要指孔的面积占15%以上的整堵墙区域，但仍然属于小面积的洞墙，其力学特性结合梁的弯矩图突变，在高度上没有拐点，或只是在个别建筑物的楼层有一个拐点。

1.3双脂肢或者多肢剪力墙

所谓的双肢或者多肢剪力墙主要是说开洞比较大的或者洞口成列布置的墙体。它的受力特点是和整体的小开口的剪力墙相类似的。

1.4壁式框架

壁式框架是指孔洞的规模相对较大，而连接梁线的刚度和墙肢线的刚度比较接近的墙体。其力学特性是弯矩图在楼层地方发生突变，并将在大多数楼层地板中出现拐点。

2剪力墙结构设计优化的原则

2.1墙面承载力与刚度合乎标准

在建筑工程的设计中，其剪力墙平面内外的承载力和刚度一定要达到建筑工程所需要的标准，也就是说一定要保证剪力墙平面的外承载力和刚度要比内承载力和刚度要小一些。建筑工程项目在建设施工的时候，梁体和平面外方向的剪力墙一般是用单侧的连接方式来进行连接的。这会使得墙肢平面外产生弯矩。但在一般的情况下设计施工时常出现墙的承载力与刚度不足的现象，所以除特殊要求外，一般采用墙平面外部单侧的连接方式，使用这种方式时为保证剪力墙平面外的稳定性，必须对其方法进行改进。

2.2楼层间剪力系数为最小

实际操作过程，必须保证楼层间剪力系数为最小，这样做可以有效降低建筑物重量，提升建筑物的抗震性，防止安全隐患的发生。在设计与施工的过程中，设计人员要按照剪力墙承受力矩的大小来调整楼层剪力系数，以保证剪力系数为最小。同时，也要在保证施工质量的前提下，尽量减少使用剪力墙。通过对剪力墙侧向刚度的增加可以有效降低工程的施工成本，在给客户降低成本的同时杜绝资源浪费。

2.3楼层层高比与楼层间位移最大化

实际操作中，通常会采用合理的方案调整楼层之间的位移与层高比，用来保证楼层层高比和楼层间位移的最大化。剪力墙在进行结构设计位移计算过程中对建筑结构的变形并没有计算在内，与传统建筑相比它的位移关键点在于楼层间的弯曲与变形。一般说来楼层间比较容易产生的是扭转与剪切。剪切主要是由于建筑物中竖向构件的原因构成的。这就要求我们必须根据建筑物的实际情况对竖向构件进行调整，在保证竖向构件数量的同时，保证楼层间不出现扭转变形或减小其变形程度。这就要求在真实的施工中，必须对楼层间位移最大化和层高比进行实时的检测，防止或降低扭转现象的发生，这样可以整体提升建筑物的安全性。

2.4连梁结构的限额调整.

剪力墙连梁的设计跨高比必须超过2.5，如果无法超出该数值，将会使剪力墙连梁的剪力与弯矩超出合理要求，这是产生安全隐患的诱因。当剪力墙连梁的跨高比过大时，同样也会产生安全隐患，同样也会使剪力与弯矩超出合理要求。所以，我们在实际操作时，剪力墙在进行结构设计过程中必须保证做到连梁可以进行限额调整，这样不但可以提升建筑物稳定性，还可以保证其质量与施工的效率，这也是合理降低施工成本的重点之一。

3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。

3.1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的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。

3.2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、剪力墙和简体。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来有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。

3.3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，由于高层住宅楼通常利用楼梯、电梯及竖向管道井等部位设置剪力墙，形成相对完整的简体。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2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。

3.4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。

4结语

剪力墙作为现代建筑不可或缺的重要组成部分，在进行剪力墙的结构优化设计时，要做到在保证建筑物施工质量的同时，尽量保证剪力墙使用的数量的合理性，优化设计时还要尽可能的采用新技术、新方法与新材料，希望通过对剪力墙优化设计的分析可以为我国建筑行业的发展做出相应的贡献。