高层民用建筑剪力墙结构设计特点及其优化策略

2021-11-30周媛

科技经济导刊 2021年16期

周媛

（中铁第五勘察设计院集团有限公司 , 北京 102600)

剪力墙是一种相对特殊的结构体系，在高层民用建筑中的应用非常多，良好的剪力墙结构设计，不仅可以有效发挥剪力墙结构的抗震性、安全性优势，更可以提升整体结构的科学性。因此，当下随着高层民用建筑项目数量的增多、规模的扩大，剪力墙结构设计已然成为了结构设计中需关注的重点内容，但部分工程企业在剪力墙结构设计方面存在很多的不足，难以发挥剪力墙结构优势。各个工程企业在结构设计时，都应该从结构性能的优化角度出发，加强剪力墙结构的细节优化。

1.高层民用建筑剪力墙结构的设计特点

1.1 剪力墙结构的设计特点

城市化发展伴随着越发明显的土地紧张问题，各种建设工程项目实施中，为克服土地资源限制，建筑工程呈现出高层化趋势，项目数量有所增多、规模日渐扩大。但因为建筑的层数多、高度大，整个结构受到的作用力繁多且复杂，轴线并行、侧向移动等均是结构设计中需重点关注的方面[1]。由于剪力墙结构的特点，高层建筑项目实施中，人们越来越倾向于这一结构体系的构建，但在剪力墙结构体系设计时，应使得剪力墙具有较好的抗侧刚度、较小的侧移、良好的吸收性能，只有这样，方可使得剪力墙结构具有极好的结构稳定性和抗震性，能够应对来自内外部的各种结构冲击。对于高层民用建筑而言，为达到总体结构标准，剪力墙结构的高度和厚度都相对偏大，这一结构设计要求使得该结构体系即使处于荷载作用下，也可以发挥剪力墙结构体系的优势，发挥其抗剪切力机械强度能量小的特征。一旦剪力墙结构的应用对象是超出20层的建筑，为保障截面弯矩最为极限承载力的计算科学性和准确性，必须要以全截面抗弯作为计算基础，根据相应的计算经验，在洞口越小的条件下，剪力墙结构的性能越理想，越可以发挥其在建筑结构中的优势。此外，高层民用建筑中的剪力墙结构设计中，通过科学的剪力墙结构设计，可以有效对建筑空间加以科学划分，实现空间资源的合理利用，有效提升了室内框架结构的简洁性和美观性。因为剪力墙结构中各个构件都为混凝土材料制成，使得剪力墙结构的重量大，地震灾害出现时该剪力墙结构也势必由于以自重出现明显的地震反应，再加上抗侧刚度的存在使得地震时的地震反应力加大，因此，为使得剪力墙结构的抗震性得以增强，应从其结构特点出发进行适当的优化。

1.2 剪力墙结构的分类

对高层建筑而言，因为其结构性能的要求相对较高，不同的高层建筑结构设计中，应根据整体的结构特点，确定在剪力墙结构设计是否必须开洞，如果存在开洞的必要，结构设计人员应考虑开洞的大小[2]。根据高层民用建筑中的剪力墙设计和使用情况，一些剪力墙开洞，而一些剪力墙不开洞，且开洞的剪力墙结构中，洞的大小也存在着明显的区别。因此，在高层民用建筑剪力墙结构设计中，开洞与否、开洞大小可以作为划分基准，建筑结构中大多包含了实体墙、整体小开口剪力墙、多肢剪力墙、壁墙框架。对实体墙而言，其属于不开洞剪力墙，当然，在一些建筑结构中应用时，实体墙剪力墙的开洞非常小，整个结构体系中没有任何的受力突变和反弯点。整体小开口剪力墙比较特殊，同样属于小开洞结构，墙弯矩存在明显突变，在高度上没有反弯点分布，但局部存在反弯点。多肢剪力墙为大开洞结构。

2.剪力墙设计原则

2.1 连续性

高层民用建筑的结构包含了多种的形式，在剪力墙结构设计中的可选择性也相对较多，为使得剪力墙结构可以与整体的结构标准相符合，专业设计人员在剪力墙结构设计中，应加强对工程现场环境的调查，根据总体的结构要求和现场环境，选择最佳的剪力墙结构设计策略。剪力墙结构是建筑工程结构中一种相对特殊的结构体系，主要是通过相关建筑构件的利用来实现对部分结构的分离，从其在结构中的作用来看，剪力墙结构有一定的承载力和阻力作用[3]。因此，任何的剪力墙结构设计中，应始终坚持连续性的设计要求，以避免刚度的极端变化而引起结构位移和偏差。

2.2 特殊性

因为每个的高层建筑都有其独特的结构要求，在剪力墙结构设计中应坚持特殊性要求，做好对整个高层建筑的结构受力分析。墙体作为建筑结构中的平面结构，其受力不仅包含了水平的弯矩和剪力作用，更包含了竖向压力，为达到剪力墙设计的良好效果，剪力墙设计应从结构受力的特殊性出发，做好相应的结构优化，提升剪力墙的应用效果。

3.高层民用建筑剪力墙结构的设计及优化

3.1 剪力墙设计要为后续的建筑改造留有余地

作为结构体系的一部分，为发挥剪力墙作用，设计人员应给后续建筑改造留有一定余地，要使得剪力墙主体设计能够在达到基本刚度的前提下为建筑中的门窗设计留有一定的空间。总之，剪力墙结构设计中，严禁设计的随意性，避免门洞挖掘的重复。为使得剪力墙空间合理，设计人员在总体的设计过程中，应提前做好相应的空间分析与规划，将墙体划分成若干个部位，使得门窗的设计尽可能合理，与剪力墙结构相匹配[4]。

3.2 合理布置剪力墙平面

剪力墙结构抗震性、稳定性和安全性目标能否实现，在一定程度上取决于剪力墙的平面布置情况。在平面布置时，应从以下方面来开展：（1）剪力墙平面布置应始终坚持对称性和均匀性的原则，使得墙面中心可以完全和结构刚度中心重合，通过这种控制来减小扭矩，实现与墙体的对直；（2）抗震剪力墙结构设计时，应尽量选用两侧都有剪力墙的设计方案；（3）始终沿中心轴线的方向保持对称性；（4）将剪力墙抗侧力刚度控制在合理的范围内，设计人员在设计的过程中，可以直接利用T=(0.05-0.06)n公式来进行设计，其中，T代表的是经验公式，n为剪力墙结构层数，在此公式下，确定剪力墙刚度的范围，保持刚度和层数相符合；（5）剪力墙布置不宜太密，尽量多布设均匀长墙，少布设短墙，最好使得墙肢厚度沿着高度方向上呈现均匀变化的趋势；（6）坚持“强周边、弱中部”的布设要求，将剪力墙平面布设为L、T、十字形等多种简单形式，以提升剪力墙结构的稳定性。

3.3 正确处理剪力墙的墙肢

对高层民用建筑中的剪力墙结构设计而言，为提升其总体的结构性能，相应的设计标准中明确规定了剪力墙延展性要求，因为高层民用建筑中的剪力墙高度较大，在设计时就应该从延展性方面考虑，尽可能用弯曲剪力墙来替代原先的剪力墙结构，以通过这种方式来使得剪力墙的机械强度达到相应的标准[5]。对于一些长度较大的剪力墙而言，可以通过开洞的方式减少结构裂缝的出现，使得在整个建筑结构中，剪力墙中的钢筋可以更好地发挥其支撑作用。因为大墙肢在地震作用下很容易断裂，因此，如果剪力墙中的墙肢长度超过了8m，一般可以通过开洞设计的方式来减弱地震效应干扰。

3.4 合理处理边缘构件

通常情况下，对高层民用建筑剪力墙结构设计而言，其边缘构件一般包含了构造型和约束型两种，为提高剪力墙结构性能，对于处于下部处理加强位置且抗震性能相对较差的高层民用建筑剪力墙而言，选择构造型边缘构件；而对于加强部位和高层民用建筑与重荷载作用下墙体轴压比平均值超过设计标准的情况而言，更适宜选用约束型边缘构件。对构造边缘构件而言，其在设计时应符合正截面受压或者受拉承载力的计算标准，对于构造边缘构件竖向分布钢筋而言，其最小配筋率、根数、直径都应该与相应的设计标准相一致，在达到计算值、最小配筋率、根数、直径等的标准下，其中的多余钢筋可选用小直径钢筋，但不应小于剪力墙竖向分布钢筋的强度等级和直径。此外，构造边缘构件的强度、延性都应该比墙体要高，虽然相应的设计标准中没有明确规定边缘构件纵筋间距的要求，但却可以以相应的框架结构设计规范来实施。

3.5 合理设计过渡层

过渡层的设计效果同样与剪力墙结构体系性能之间有着直接的关系，主要是由于高层建筑结构中非常重视结构抗震性这一性能，地震灾害发生的瞬时时间段内，地震作用力将对剪力墙产生巨大的冲击，而当过渡层剪力墙墙体受到部分荷载干扰时，势必面临承载力减小的趋势，对剪力墙结构性能的不利影响非常大。因此，高层民用建筑中的剪力墙结构设计中，应从整体的结构性能着手，对剪力墙的各个细节加以适当调整，使得各个结构参数都符合设计标准。设计人员在充分进行了相应的受力特点分析以后，才能够开展相应的结构计算，通过科学的过渡层布置，来起到地震能量的削弱作用。对于存在过渡层或者转换层的剪力墙结构，如底层框架剪力墙，因为过渡层或者转换层的剪力墙墙体在地震发生的过程中，需提供最大的抗倾覆力和抗剪切力，当处于垂直均匀荷载的情况下，过渡层或者转换层的剪力墙墙体处于拉剪或者压剪应力状态下，一旦存在横向的荷载作用力，在过渡层或者转换层的设计中，应使得其横向承载力、抗裂性能同步减小。

3.6 对剪力墙的连梁设计展开优化

剪力墙设计中的连梁设计也非常重要，通过科学的连梁设计，建筑结构刚度得以改善，可以在一定程度上将侧向位移控制在合理的标准内，进而来提升整体建筑的稳定性。但因为耦合梁剪力墙设计时常常会受到诸多因素的影响，如果在设计过程中缺乏对这些因素的科学考虑，可能会导致剪力墙的结构性能难以达到标准，无法提升高层建筑的整体性能。比如，在剪力墙设计中，如果连接梁的横高度过小，连接梁就无法在整个高层建筑内发挥其作用，具体来说，当受到反复的荷载作用力时，结构裂缝将难以避免，剪力墙的质量安全问题突出。因此，针对连接梁在剪力墙中的作用，在剪力墙设计时应尽量选用高连接梁，做好相应的受力分析。