高层建筑剪力墙结构优化设计分析探讨

周光禹 高蕉

摘 要：随着我国城市化进程的加快，我国住宅建设呈现出高层化的发展趋势。高层建筑的主体结构通常由钢筋混凝土剪力墙结构组成，该结构具有成本低、性能高、稳定性强、实用性强等优点。文章主要针对高层建筑剪力墙结构优化设计进行了分析探讨，希望能够推动我国高层建筑质量的提升，为相关工作人员提供参考与借鉴。

关键词：高层建筑;剪力墙;优化设计

中图分类号：TU973.16                                 文献标识码：A                                文章编号：2096-6903（2022）04-0001-03

0 引言

随着我国建筑行业的飞速发展，建筑技术也得到了相应的提升，房屋建筑的高层化不仅适应了城市发展的需求，还有效推动了建筑技术的进步，实现了城市土地资源的合理应用。剪力墙结构在高层建筑中有着较为广泛的应用，为提升高层建筑的质量，推动建筑稳定性与安全性的提升作出了巨大的贡献。

1 钢筋混凝土剪力墙结构概述

1.1 剪力墙结构的内容

剪力墙指的是一种整体性与高度都较强的结构，其有着用钢量少的优点。剪力墙的横向纵向承重板能够互相交错，产生相应的承重性，保障高层建筑的抗侧性与稳定性。剪力墙结构还能将承重柱隐藏于结构内部，节约高层建筑内部的空间。在建成后，不会出现露柱、露梁等缺陷[1]。相较于其他框架结构，其有着更好的美观效果以及更为广泛的适用性，为室内装修提供便利，使室内使用的面积得到有效提升。剪力墙的抗侧刚度较高，有着非常好的抗震效果，非常适用于高层建筑[2]。

钢筋混凝土剪力墙结构，在应用的过程中也存在着一些问题，比如剪力墙结构的混凝土墙体用量较大，这会直接增加高层建筑物的自重，有可能会引发地震反应[3]。针对这一点，要加强剪力墙高层建筑上部结构的基础施工，使高层建筑上部结构的稳定性能够得到有效提升，加大上部结构的投入力度。除此之外，剪力墙结构还有着墙肢轴压比较低的缺陷，这会使剪力墙结构的承载性能受到影。在应用构造配筋施工形式时，会使结构的延展性受到影响，从而影响到剪力墙结构的质量。广大建筑单位在应用剪力墙结构时，要重视建立墙结构的优化设计与分析。降低剪力墙结构的应用成本，提升高层建筑的建筑质量。

1.2 剪力墙结构的分类

①实体墙。实体墙有着非常强的承受载荷性能与抗弯性能，通常情况下实体墙的墙体不需要开洞，即使有洞口，也只是少量的小尺寸洞口。②剪力墙，整体小开口剪力墙的墙上开口面积通常为总剪力墙面积的15%以上[4]。如果对整体小开口剪力墙进行受力分析，可能会发现本应在洞口处直线分布的正应力，出现向洞口两侧分布的现象。这种现象如果受到外力因素的影响，可能引发反向弯曲问题，需引起设计人员的重视。③壁式框架。壁饰框架的洞口尺寸相较于其他两种结构尺寸更大，有着连梁线刚度与墙肢线刚度比较接近的特点。

2 高层建筑钢筋混凝土剪力墙结构的设计原则

2.1 抗震与承载原则

设计人员在设计剪力墙结构的过程中，要考虑的就是剪力墙结构的安全性能。因此，在设计的过程中要遵循抗震与承载原则，提升剪力墙结构的荷载能力与抗震性能。配筋率的数值、剪力墙的刚度都会对剪力墙结构的荷载能力与抗震性能产生影响，在设计的过程中，要考虑到剪力墙结构的抗震构建。在设计的过程中要针对高层建筑的剪力墙高度进行合理设计，通常高层建筑剪力墙刚度越大，高层建筑受到震动的影响也就越小，高层建筑的抗震性能相对更强。但相对的，在提升高层建筑剪力墙高度的同时，也会增加建筑单位的施工成本。因此，在设计剪力墙刚度的过程中，要在经济合理的原则上满足高层建筑的承载力要求，避免施工成本的浪费。

2.2 材料力学性能原则

在高层建筑剪力墙结构设计的过程中，为提升结构体系的作用，要始终遵循材料力学性能原则。在设计的过程中主要要考虑两方面因素：①要控制墙肢长度的差异性，如果剪力墙墙肢长度的差异较大，会使墙体结构的受力度受到影响，这不符合材料力学性能;②要尽可能减少短小墙肢的数量，设計人员在设计的过程中要意识到高层建筑的剪力墙结构，侧向高度通常是根据剪力墙侧移刚度所决定的。减少设计过程中短小墙肢的数量能够体现材料力学性能原则，节约设计成本[5]。

2.3 结构经济合理原则

设计人员在设计的过程中要考虑到高层建筑的经济性，只有经济合理的设计目标才具有可行性。剪力墙结构的经济合理，通常有两个因素所控制：剪力墙的开洞和剪力墙的材料。在剪力墙的开洞方面，剪力墙结构中的增加会提高建造的成本，因此在设计的过程中，除了必要的门窗洞以外，要尽可能的减少剪力墙的结构度。可以将剪力墙设计为长墙，减少因结构布置需求所需要的结构洞数量，控制建造的成本。在剪力墙的建筑材料应用方面，要尽可能的将短肢墙中的箍筋和水平分布的钢筋进行合并，这样子不仅能够减少工程当中的钢筋用量，达到节约成本的效果，还不影响高层建筑的工程质量。

3 高层建筑钢筋混凝土剪力墙设计存在的问题

3.1 剪力墙结构优化设计方案不合理问题

在高层建筑设计阶段，要对剪力墙结构进行分析与评价，确保剪力墙结构的安全性与合理性后才可进行设计。设计过程中要做好施工材料的检查工作，确保剪力墙结构的框架，设计结构的质量是高层建筑的稳定性得以有效提升的前提。除此之外，高层建筑往往有着施工周期长，施工内容较多的特点，因此在剪力墙结构设计的过程中，其涉及到的内容也是比较多的，在不同位置所应用的结构，也会存在着一定的差异性，因此在实际设计的过程中要求设计人员做好建筑施工现场的勘察工作，在此基础上进行剪力墙结构的设计，对设计方案进行优化和处理。

3.2 墙体平面形状问题

在墙体平面形状的设计上，应该参考设计规范与设计要求进行规划。确保墙体的平面形状能够达到水平地震作用的需求，在此基础上进行调整。在实际施工的过程中，要求施工人员对墙体的平面形状进行优化和处理，使剪力墙结构具有科学性与合理性。避免因墙体平面形状导致的施工成本增加问题，致使施工进度受到影响。

3.3 剪力墙平面布置问题

在剪力墙结构设计的过程中，有些施工企业过于注重剪力墙结构的经济效益，在设计方案中没有考虑到结构的整体施工效果就缩减了支出，导致剪力墙结构在平面布置的过程中无法与实际墙体保持一致，使后续材料的使用受到影响，从而导致结构整体性高度无法达标，引发墙体裂缝问题。这种现象会是剪力墙结构的刚度与整体性受到影响，从而使整体结构的承载力减小，无法发挥剪力墙结构应有的作用。

4 高层建筑钢筋混凝土剪力墙设计的要点

4.1 满足高层建筑剪力墙结构的布置要求

剪力墙结构对于高层建筑质量而言有着非常重要的意义，设计人员设计剪力墙的过程中要考虑到两方面因素：剪力墙的抗震性能和剪力墙的空间问题。在剪力墙结构布置的过程中，如果是按照墙体主线轴进行设计，就要考虑到剪力墙的抗变形性能以及剪力墙的宽度与高度。尽可能使剪力墙的墙体结构保持对称，使柱体与墙体在建筑内的占用面积减少。在剪力墙结构布置的过程中，要考虑到剪力墙的受力能力，在建筑设计图纸上进行标注与说明，严格按照承载受力度进行设计。

4.2 对剪力墙结构的设计进行优化

在剪力墙结构设计的过程中，要将剪力墙结构的抗震能力视作重点，剪力墙结构的抗震能力是剪力墙重要的建筑性能。因此，在设计的过程中要对剪力墙结构进行优化，对剪力墙的厚度进行控制。如果在施工的过程中出现特殊情况，施工单位要根据建筑的实际情况对剪力墙结构进行优化。为提升房屋面积，可以采用墙柱暗柱的设计。在设计的过程中，应选用质量较好的钢筋混凝土，提升剪力墙结构的质量。

4.3 对楼层间墙体位移的设计进行优化

设计人员在设计剪力墙结构时，会考虑到高层建筑楼层之间的位移问题。墙体的扭曲变形情况会导致楼层间与剪力墙间发生扭曲变化。因此在设计的过程中要确保剪力墙的侧向高度被控制在合理的范围内，使高层建筑的抗震能力得到有效提升，从而节约建筑的施工成本。在设计的过程中，根据高层建筑的用途，在宾馆以及写字楼建筑的设计中，提升整体建筑的承重力，对结构加以有效控制。在居住楼空间的设计中应用小型剪力墙结构时，要尽可能对房子结构加以灵活运用。

5 高层建筑钢筋混凝土剪力墙结构的设计优化措施

5.1 墙肢连梁的设计

连梁是连接墙体的主要结构，也是非常重要的耗能构件之一，因此，在工程实际施工的过程中，如果存在连梁设计不当问题，就会导致连梁受到损坏，从而影响高层建筑的荷载力、抗震力以及防震性能。同时还会弱化建筑整体结构应用后的延性。因此，在剪力墙结构的设计过程中，要考虑连梁的刚度，对剪力墙结构的现场设计进行优化。要避免连梁在弯曲破坏前被损坏，在实际施工作业的过程中，禁止人为主动地增大连梁纵筋，防止连梁无法承受强剪弱弯值现象的出现。在连梁箍筋量的计算上，要避免盲目增加箍筋量，防止箍筋还没发生作用就被剪切损坏的现象出现。在连梁截面抗剪切性计算的过程中，如果连梁比值超过了2.5，应该将设计比值与增大系数范围相乘，追踪其真实的应用数值[6]。

5.2 长墙肢的设计

墙肢延性对于细高形状剪力墙的应用有着较大的影响，同时墙肢延性也是剪力墙结构重要的建筑性能之一。在墙肢设计的过程中，应在提升墙肢延展性的同时，增加墙肢的弯曲破坏性能，防止脆性剪切破坏现象的出现。在高层建筑实际应用的过程中，在应用长墙肢时，墙肢截面的高度与宽度比值应在2.0以上。因此在实际应用的过程中，可以进行开洞，将长墙肢进行分段，形成比值均匀的小墙段。在墙体斜截面与横截面较小的情况下，弯曲会导致裂缝宽度比值较小，可采用箍筋对剪力墙进行加固，使剪力墙的综合性能得到有效提升。

5.3 含钢量的设计

钢筋混凝土结构的抗震性能好、刚性强，还具有一定的防火性能，其在不同类型的高层建筑中均有所应用。上文中提到了剪力墙结构的含钢量与建筑工程的经济性有着密切的关系，因此在设计含钢量的过程中，应该在满足建筑物性能的基础上，考虑到相应的经济情况。为高层建筑的业主提供一个优质的生活环境。

6 高层建筑剪力墙结构设计时需注意的计算问题

为提升钢筋混凝土剪力墙结构的承载能力，在剪力墙轴压比限值计算的过程中，要严格按照最大轴压比限值计算公式进行计算。剪力墙轴压比限值能够提升剪力墙的承载力与抗震性能。1～3级抗震等级剪力墙底部最强位置最大轴压比限值计算如公式（1），其中代表了剪力墙最大轴压比限值;代表了钢筋混凝土轴心抗压强度设计的理想值;代表了墙结构全截面的面积，单位为平方厘米;代表了墙结构重力荷载作用下轴压比的设计值[7]。

（1）

除此之外，还有注重高层建筑剪力墙结构的厚度设计，剪力墙结构的厚度有着明确的要求。通常厚度既不能过小也不能过大，厚度要确保在20 mm以上。剪力墙结构厚度的设计要满足剪力墙结构的正常使用功能，符合剪力墙结构的具体参数规范，具体计算如公式（2）。其中，b代表剪力墙设计厚度值，单位为毫米;代表单位面积荷载重量标准值;n代表高层楼数;r代表轴压比[8]。

（2）

7 结语

总之，剪力墙结构与高层建筑的质量有着密切的关系，广大建筑企业要注重剪力墙结构的优化设计，在提升剪力墙结构质量的同时，保障剪力墙结构的经济性，提升建筑企业的经济效益，推动高层建筑质量的有效提升，实现建筑行业的健康可持续发展。

参考文献

[1] 王震.高层建筑剪力墙结构优化设计分析探讨[J].中国建筑金属结构，2021（4）：70-71.

[2] 于涛.高层建筑钢筋混凝土剪力墙结构设计分析[J].城市住宅，2020，27（4）：193-194.

[3] 蔡颖.高层建筑钢筋混凝土剪力墙结构设计分析[J].住宅与房地产，2019（34）：69.

[4] 吴冰.高层建筑剪力墙结构优化设计分析[J].住宅与房地产， 2016（30）：70.

[5] 靳晓亮，张敏.高层建筑剪力墙结构设计分析[J].江西建材， 2019 （8）：71-72.

[6] 孫明睿.高层建筑钢筋混凝土剪力墙结构设计分析[J].中国新技术新产品，2019（16）：81-82.

[7] 王连波.高层建筑钢筋混凝土剪力墙结构设计分析[J].住宅与房地产，2019（18）：228.

[8] 唐国昱.浅析高层建筑剪力墙结构优化设计[J].中华建设， 2019（6）：70-71.