高层建筑混凝土剪力墙结构设计分析

刘福旺

（广州市城市更新规划研究院）

1 引言

目前随着我国城市建设快速发展，新建高层建筑越来越多，为满足抗震等多方面的要求，新的结构形式不断发展，其中剪力墙结构被广泛用于高层住宅。剪力墙结构由纵、横钢筋混凝土墙承受竖向荷载、抵抗侧向力，通过合理的结构设计可获得良好的抗震性能，可避免在室内露出梁柱，确保建筑美观、使用方便。加强高层建筑混凝土剪力墙结构设计的研究分析具有重要的现实意义。

2 高层建筑混凝土剪力墙结构概念分析

混凝土剪力墙是一种钢筋混凝土结构墙体，利用建筑外墙和内墙隔墙位置布置。侧向力在墙体中产生水平剪力和弯矩，竖向荷载在墙体中产生向下的压力。这种墙体具有承受水平力（水平剪力）的较强能力，因此被称为剪力墙。剪力墙的高度一般与整个建筑物的高度相同，从地基到屋顶。在立面上，剪力墙常被开动，因为建筑物要经常开门开窗，通过管道。此时，应尽量将洞口上下对齐，排列规则，使洞与相邻洞之间形成墙肢，在上下洞之间形成横梁。采用规则开孔的剪力墙布置配筋容易，效果明显，经济指标较好。但是错孔剪力墙往往比较复杂，在孔边容易产生应力集中。地震容易被地震破坏，无法充分发挥钢筋的作用。

3 分析高层建筑结构受力

水平以及垂直方向的外力是高层建筑的主要受力。多层建筑由于其高度和宽度相对较小，平面尺寸较大，结构高度较低，受到地震影响也相对较小，因此，在多层建筑中，主要考虑的是如何抵抗垂直的负荷。但是，建筑物高度的增加的同时，建筑物的应力特性也在逐渐改变。在设计中，主要考虑垂直荷载、侧向荷载、结构延性等。

3.1 垂直载荷

竖向荷载由静竖向荷载和活竖向荷载组成，对建筑物的质量与安全性影响巨大，是高层建筑的基本荷载。静荷载有结构荷载和各种附属于建筑物的永久荷载构成，这其中结构荷载是主要部分，约占到静荷载总量的60～80%。活荷载是指建筑物中人员、家具等能够改变和移动的物体造成的非永久荷载。高层建筑墙柱的轴力与建筑物的高度成正比，由此，由于高度的增加，建筑层数越多，对于底层墙、柱的压力就越大，因而要重视由此产生的地基沉降效应以及压力变形。

3.2 侧向负载

对于高层建筑，某一高度范围内的竖向荷载基本固定，但地震和风荷载作用下的侧向荷载值会与建筑结构的动力特性产生较大差异的影响和变化。

3.3 结构延性

与多层建筑相比，高层建筑遇到地震时的变形要大得多。因而一定要采取一定的措施来确保结构延性，以此来保证高层建筑物在塑性变形阶段仍然具有很强的变形能力。箍筋约束法就是行之有效的方法，箍筋约束是近年来研究最多的问题。据调查，许多建筑由于箍筋不足或失效而被地震作用破坏。增加箍筋、提高箍筋率可以提高墙体柱的延性和抗震性能，并通过大量的试验和震害案例进行了验证。

3.4 侧向位移

高层建筑结构设计的关键是对结构侧向位移的控制。此外，随着建筑高度的逐渐增加，结构在侧向位移作用下的形变会随着建筑高度的增加而迅速增加。为保证结构的安全与使用的舒适，必须严格控制横向荷载作用下发生的侧向位移。这个控制的实质就是对于结构截面以及刚度的控制，需要设计人员根据规范的要求调整竖向构件（柱，墙）的面积和布置，然后进行抗震验算。若是不符合规范，需要继续调整。

4 高层混凝土剪力墙结构优化方案

4.1 底层框架柱布置

如果采用底部框架剪力墙的结构，底部转换柱的柱距不能够太大，8m以内是比较好的控制，为了尽量避免二次转换，最多只能够在一根框架梁上设置一扇非落地的剪力墙。在功能方面，底部框架剪力墙的民用建筑大多是商业建筑，上部结构可分为两个开间，无论上层建筑用于办公或住宅，其上部结构所对应的开建的尺寸都能够满足这个使用功能。同时，考虑到大框架梁的高度一般为梁跨的1/8～1/5，如果柱间距过大，则梁截面及其配筋率将超过极限，也很容易出现梁的剪力、弯矩超限，造成严重的安全隐患。

4.2 连梁设计

作为一件耗能构件，如果剪力墙连梁被剪切破坏，就会对于建筑物的防震抗震非常不利，并且大大降低结构的延性。因此要非常重视对于连梁的强剪弱弯计算，以保证连梁的剪切破坏晚于弯曲破坏。一定不能人为加大连梁的纵筋，这会导致难以满足连梁强剪弱弯的要求。同时也不能一味的增加箍筋，如果连梁的结构控制条件没有被满足，盲目的提高箍筋率会导致剪切破坏发生在箍筋尚未产生作用之前。而针对连梁截面的抗剪计算，对于那些跨髙比大于2.5的连梁，把它的剪力设计值乘以增大系数是必须的。

4.3 长墙肢的处理

髙层建筑剪力墙的结构还必须具备足够的展延性，特别是对于具有细高形状的剪力墙，即具有较好的延性和弯曲破坏性能，从而可以避免脆性剪切破坏。然而，在长墙肢的情况下，为了满足每个壁的每个截面的高度与宽度之比都超过二，就需要采用开洞的方法，以此来把长墙分割，称为一段段小而均匀的墙段。另外，当墙体截面长度较小时，由于弯曲引起的裂缝宽度相对较小，因此可以充分发挥箍筋对于剪力墙的加固效果。

4.4 混凝土剪力墙钢含量合理设计

这种结构的特点是既有钢结构重量轻，抗震性能好等优点，也有混凝土结构刚度大，防火性能好，成本低的优点，所以近年来高层建筑结构得到了迅速发展。对于普通住宅建筑而言，其用钢量一般如下：①多层砌体住宅：钢筋 30kg/m2；②多层框架：钢筋 38～42kg/m2；③小高层 11～12层：钢筋 50～52kg/m2；④高层 17～18 层：钢筋 54～60kg/m2；⑤高层：30 层H＞94m：钢筋65～75kg/m2；⑥高层酒店式公寓28层H＞90m：钢筋65～70kg/m2。设计应该根据建筑类型合理设计合乎规范，经济的混凝土剪力墙结构建筑物。

5 结论

总之，高层建筑混凝土剪力墙通常用于住宅建筑。优化其结构非常重要。有必要确保住房的安全系数并节省经济成本。本文分析了高层钢筋混凝土剪力墙结构概念，高层建筑的受力分析，混凝土剪力墙的竖向优化设计，钢筋混凝土剪力，高层钢筋混凝土剪力墙结构优化方案。通过合理的结构布置设计，概念优化，设计出安全、经济、适用的建筑，使建筑物节约资源，保护环境并降低成本。

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