关于高层剪力墙结构设计的分析与探讨

程牛

（合肥粤泰置业有限公司，安徽 合肥 230011）

引言

剪力墙结构的性能比较稳定，在安全性方面具备较大优势，在高层建筑中合理应用剪力墙结构可以有效提升建筑的抗震能力，从而为居民提供可靠的安全保障。从空间利用角度进行分析，在设计剪力墙时不需要将梁结构和柱结构的安装考虑在内，因此可以在很大程度上提高建筑的空间利用效率，从而让建筑能够发挥出更大的作用，功能性也能进一步增强[1]。此外，高层建筑的整体建设质量依靠剪力墙也能得到有效保证，所以在建筑结构设计中应科学合理地应用剪力墙结构，并不断提升剪力墙结构设计工作水平和质量。

一、高层建筑剪力墙结构概念以及特征

在高层建筑结构设计过程中经常会用到剪力墙结构，剪力墙结构与传统框架建筑结构存在较大差异，此种结构主要是利用钢筋混凝土墙板来替代梁柱框架，从而能够在很大程度上提升竖向和水平荷载能力。由于剪力墙结构具备较强的承载能力，而且自身的延性和整体性都比较好，同时还具备较强的抗震能力，可以有效承受各种地质灾害造成的冲击，所以剪力墙也被人们叫作抗震墙、结构墙或抗风墙。通常情况下，可以把剪力墙分为两种不同的形式，一种是平面剪力墙，主要由很多分散的单片剪力墙组合而成，一般在高层框架结构以及无梁楼盖体系中得到广泛应用，主要作用是进一步提升框架结构的刚度，对位移现象形成有效控制，并且还可以使框架结构的抗倒塌能力得到有效增强。另一种是筒体剪力墙，它的主要组成部分主要是集中围合而成的分隔墙，比如高层建筑中的楼梯间、电梯间和设备间等都是属于这种形式，与平面剪力墙相比来说，这种剪力墙体系的刚度和强度较高，可以更好地承受水平和竖向荷载，并且具备更加良好的抗震性能。此外，剪力墙还可以从开洞情况和开洞的大小方面进行划分，通常可以分为壁式框架、整体或整体小开口剪力墙、多肢或双肢剪力墙以及框支剪力墙等。

剪力墙结构相对于框架结构及框架-剪力墙结构来说具有较大的侧向刚度，故而抵抗水平荷载(风、地震等)的能力也明显较强。因此，在水平荷载作用下，剪力墙结构的整体变形呈弯曲型，这与水平荷载作用下框架结构的剪切变形和框架-剪力墙结构的弯剪变形有显著的不同。一般情况下，在对带少量框架的剪力墙结构的抗震能力进行设计时，需要严格按照《抗震设计规范》中的具体要求开展设计工作，从而将框架-剪力墙结构的具体抗震等级确定下来，并且还要控制剪力墙刚度和框架刚度度之间的比例，并严格按照框架部分承受的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩的比例对结构体系进行定性（按剪力墙结构设计还是按框架-剪力墙结构设计），以进一步确定结构的使用高度、抗震等级、轴压比限值及层间位移角限值等相关参数。

二、高层建筑剪力墙结构布置原则分析

通常情况下，剪力墙结构的布置需要严格遵循四个方面原则，分别是分散布置原则、周边布置原则、平面布置原则和竖向布置原则。（1）剪力墙结构的分散原则：要求设计师在设计的过程中需要合理设置剪力墙的片数，保证数量不能太少，并严格控制每片剪力墙的自身刚度，合理调节每片剪力墙的具体尺寸，应保证尺寸不能过大，严格控制弯曲刚度和剪力墙之间的距离，如果剪力墙之间的距离较大，就容易导致墙面的刚度提升，从而使剪力墙的韧性降低。（2）剪力墙的周边原则：当建筑物受到外力时就容易发生扭转现象，为了有效预防这种问题的发生，就需要将剪力墙布置在周边对称的位置，从而让建筑物抵抗扭转的内力臂得到有效提升，让刚度中心和平面中心相互适应。(3）剪力墙结构的平面布置原则：在高层建筑剪力墙设计工作中，需要严格控制高层建筑结构的平面形状，应遵循简单、规则、对称原则，确保刚度和承载力可以分布均匀，不能让平面形状出现不规则的情况，这样可以进一步降低扭转带来的不良影响。在确定平面形式时还要充分考虑风压大小，有效提升水平作用和竖向荷载的抵抗能力，确保受力明确[3]。(4）剪力墙结构的竖向布置原则：竖向布置需要保证体型具有一定的规则性和均匀性，防止出现比较明显的外挑和内收现象，严重控制抗侧力结构的侧向刚度和承载力，防止发生突变问题。为了获得更大的底部空间，在设置剪力墙结构时通常会让底层或底层若干层剪力墙不接触地面，这种情况可能会引起刚度突变问题，为了防止突变问题，就需要适当增加其他落地剪力墙的数量，并科学合理地设计柱或筒体的截面尺寸，在一定程度上提升相应楼层混凝土的等级，从而避免出现比较明显的刚度变化现象。

三、高层建筑剪力墙结构设计要点探讨

（一）连梁设计要点

对于高层建筑来说，在开展连梁设计工作的过程中，可以将设计内容分为两种类型，分别是抗震性设计和非抗震性设计。在具体的设计工作中，需要对连梁的高跨比进行严格控制，连梁的高跨比可以分为两种，一种低于2.5 的高跨比，另一种是大于2.5 的高跨比，应根据具体的要求科学制定不同类型的连梁设计方案。设计方案不同，对于受剪承载力的要求也就不同，并且需要的截面配筋数量也存在一定差异，所以在开展连梁设计工作时必须严格遵循剪力墙结构设计相关规范[4]。此外，还需要根据实际要求不断对连梁设计方案进行改进和优化，具体优化措施如下：首先，在开展内力计算工作之前，需要合理拆减连梁本身的刚度。其次，当内力计算工作结束之后，需要根据计算结果明确连梁弯矩组合，并以此为依据将连梁中的剪力数值计算出来，然后同得到的剪力数值乘以折减系数，从而进一步提升结果的准确性和可靠性。在选择计算方法时应充分参考具体的使用要求，确保选择的计算方法比较科学合理，从而使剪力和弯矩设计值的计算工作更加具有针对性，得到的计算结果也就更加准确。最后，在剪力墙设计工作中应对弯矩进行有效控制，可以科学设计连接结构，实现剪力墙墙面和剪力墙外侧的有效连接。首先确定梁轴线的位置，然后根据轴线位置和轴线方向，将弯矩计算出来，使弯矩设计的合理性进一步提升。另外，还应科学合理地设计扶壁柱，以此提高剪力墙的强度和刚度，为剪力墙的质量提供可靠保障。

（二）洞口布设设计要点

在洞口布设设计过程中，应确保剪力墙的门窗洞口保持上下对齐的状态，并且成列布置。保证洞口的布设可以形成比较明确的墙肢和连梁，能够让应力呈规则性分布，又可以和当前普遍应用程序的计算简图相符合，让设计结果的安全性得到可靠保证。还要最大程度避免设置墙肢刚度差别较大的洞口。此外，洞口布设设计还要充分考虑抗震性能设计，对于抗震等级要求较高的剪力墙来说，不适合将错洞墙设置在底部加强位置。如果必须要应用错洞墙，就应对错洞口之间的水平距离进行严格控制，确保距离不低于两米，对于抗震等级达到一、二、三级的剪力墙来说都不能使用叠合错洞墙。

（三）截面抗剪设计要点

截面受压区高度与轴压力以及截面实际形状之间有着十分密切的关系。如果受到相同的轴压力作用，带翼缘的剪力墙和一字形截面会有不同的表现，带翼缘的剪力墙受压区高度相对来说比较小，同时具备比较好的延性，对于一字形截面来说受到的影响较大[5]。所以，如果剪力墙的截面形状为一字形，必须要对它的轴压比进行严格控制。在截面抗剪设计工作中，设计人员需要对建筑的具体情况展开全面分析，然后根据分析结果科学开展截面抗剪设计工作，只有这样才能让设计工作有据可依，同时也能进一步提升截面抗剪设计方案的科学性及合理性，从而实现进一步提升截面抗剪能力的目的。如果截面抗剪设计工作缺乏合理性，就会对墙体结构的平面受力布局造成不良影响，从而引发不同程度的变形现象。因此，为了有效提升建筑结构的安全性和稳定性，需要充分掌握截面抗剪设计工作要点，确保设计水平和质量可以满足工程施工要求。

（四）剪力墙连梁超筋处理要点

可以采取以下几种措施来处理剪力墙连梁超筋问题：（1）减少连梁的计算截面。根据抗震设计规范总则的要求，设计剪力墙时必须严格遵守“强墙弱梁”的设计原则，设计墙肢和连梁时必须遵循“强剪弱弯”的设计原则，因为连梁自身具备较高的刚度，可以吸收更大的水平地震力，所以剪力墙结构并不会随着连梁截面面积的增大而变得更加稳固，因此在施工进度和位移比允许的前提下，可以合理降低连梁的计算截面，从而让剪力墙连梁超筋问题得到解决[6]。（2）增加连梁跨度。在设计连梁的过程中，可以根据实际情况合理增加洞口的宽度，提升跨高比，以此来降低连梁刚度。剪力墙结构整体的刚度降低之后，受到地震作用的影响也会减少，从而让连梁的承载力得到有效提升。（3）连梁的内力调幅。为了使剪力设计值降低，需要对连梁弯矩和剪力进行塑性调幅。通常情况下可以采取以下两种塑性调幅方法，一种是计算内力之前适当折减连梁刚度，另一种方法是计算出内力之后，将连梁弯矩和剪力组合值乘以折减系数。无论采取哪一种方法都可以有效降低连梁内力，减少配筋数量。一般情况下，需要保证调幅后的弯矩不会小于调幅前弯矩的0.8 倍或0.5 倍。

（五）墙肢设计

通常情况下，需要在结构周期比、位移比和层间位移角等整体计算指标满足相关规范要求的基础上确定剪力墙的位置和数量。在剪力墙墙肢长度设计工作中，首先要保证墙肢长度可以满足实际建筑功能要求，其次要对墙肢长度进行适当控制，确保墙肢长度具有较高的合理性。如果墙肢过长，那么当墙段截面比较高度时受弯后就会形成较大裂缝现象，墙体内的配筋容易拉断，所以还需要严格控制墙段的实际长度，具体高规程定为8m。如果墙肢过短，形成短肢剪力墙的可能性就会增大，许多楼层的墙肢就容易出现反弯点，受力特点接近异形柱，同时在轴力与剪力的影响下，导致抗震性能降低。为了进一步提升剪力墙结构的稳定性和安全性，在高层住宅结构中不适宜设置较多的短肢剪力墙。

四、结语

在高层建筑中合理应用剪力墙结构可以有效提升建筑的抗震能力，从而为居民提供可靠的安全保障。在开展剪力墙设计工作时，需要确保设计人员需要具备较高的设计水平，并充分掌握剪力墙结构的设计要点，严格按照剪力墙结构的设计原则进行设计，进一步提升剪力墙结构设计的科学性及合理性，从而让剪力墙结构的功能和作用能够充分发挥出来，从而有效提升建筑结构的整体质量。