我高層建筑剪力墻結構優化設計分析

李麗娟

摘要：為保證高層建筑結構性能，有效避免地震以風力等方面因素對建筑物結構的影響，加上相關單位對高層建筑剪力墻經濟性方面要求，需對高層建筑剪力墻結構進行一定的優化設計。本文即詳細闡述了高層建筑剪力墻結構優化設計的要點。

關鍵詞：高層建筑；剪力墻；優化設計；配筋；連梁

一、剪力墻結構概念及結構能效

剪力墻結構是用鋼筋混凝土墻板來代替框架結構中的梁柱，能承擔各類荷載引起的內力，并有效控制結構水平力，這種用鋼筋混凝土墻板來承受豎向和水平力結構稱為剪力墻結構。剪力墻結構應用于建筑時不僅要符合建筑物整體布局結構，還要滿足建筑物平面布置，剪力墻結構在整體建筑中是個重要結構構件，是起到抗震、抗風以及傳導荷載導致的剪力、軸力等結構構件，因此在整個建筑中剪力墻結構是重要承載體系；剪力墻是建筑物分隔墻和圍護墻，因此墻體布局同時滿足建筑平面布置，然而剪力墻間距有一定限制，故不可能開間太大，所以在使用剪力墻結構時通常采用混凝土結構作為樓層蓋板，且通常采用平板，可不設置梁，這樣可節約層高，提高空間利用率。這種結構在高層建筑中被廣泛利用的另一原因是有很好承載能力，且有很好的整體性比框架結構有更好的抗側力能力，因此可建造較高建筑物。

二、剪力墻結構設計基本原則

（1）構件設計要嚴格遵守肢長和厚度比值。由于剪力墻高度和寬度尺寸都有很大不同，要據幾何特征和受力形態來計算肢長和厚度比值，據結果實施按柱設計或是按雙向受壓構件設計。

（2）既要滿足剛度要求又要具有很強變形性能和延性。此結構墻體會承擔來自建筑多方向壓力，剪力墻結構若想有效而綜合處理這些方向壓力就須采用延性彎曲型剪力墻結構，這樣能有效綜合各方壓力，從而提高墻體剛性和抗震性能。

（3）剪力墻在設計時候要盡量避免平面外搭接，實在避免不了時應按規范采取相應措施，以保證剪力墻平面外安全。

三、高層建筑剪力墻結構優化設計

（一）高層剪力墻結構布置要求

因剪力墻結構在整體建筑中起到抗震、抗風以及傳導荷載力導致的剪力、軸力等的結構構件，且剪力墻結構還是建筑物隔離墻，所以剪力墻結構大多數是順著主軸線布置。剪力墻結構具有較強抗脆性和延性變形、彎曲延性，設計師在設計剪力墻結構時，剪力墻要具有相對較大高度與寬度，但剪力墻厚度要較小一點，這也符合剪力墻特征。對剪力墻結構墻布置應在“周邊、對稱、成對”前提下，盡可能減少墻肢片數量和暗柱數量。

（二）加強剪力墻結構均衡設計

高層剪力墻結構均衡設計需工作人員使用合理對策，促進剪力墻結構受力平均，不僅可提高工程安全性能和結構合理，且還可節約高層建筑造價成本。剪力墻結構的合理設計需工作人員依據建筑物平面布局狀況來實現，設計人員分析各種情況，得出剪力墻結構優化設計方案，這包括設計人員依據施工場地現狀，設計出科學合理剪力墻結構，在設計人員設計好剪力墻結構方案同時要制定出符合設計要求的管理條例，加強對剪力墻結構檢查和監督，增強施工人員安全意識和管理團隊科學管理水平，保證施工人員嚴格按照設計方案和施工圖紙進行施工，保障施工質量，特別是剪力墻結構質量。

（三）剪力墻結構厚度

對剪力墻厚度，相關抗震建筑規定有著較明確數據規定，因此高層建筑剪力墻結構在設計時須嚴格按照這些數據規定進行。例如5～15層的剪力墻結構，一般墻肢在重力荷載代表值作用下軸壓比都<0.2，電算結果墻體常只需構造配筋，但只因底部功能要求3.9m層高，墻厚就得240mm，若業主要求室內視野開闊，不設外縱墻，橫墻朝外端頭不允許帶翼墻或端柱時，當層高3>5～4.2m時，則墻厚需要320mm～350mm，顯然不合理。故像這樣特殊情況的高層建筑應通過采用概念設計分析，控制墻肢軸壓比，進行墻體截面條件、強度和穩定性驗算并在構造上適當加強暗柱或配筋，確保整體連結從而減小墻的厚度。

（四）剪力墻結構墻體配筋優化設計

關于墻體配筋在剪力墻結構中的優化設計，第一步要選擇優質材料，其中鋼筋材料選擇是重中之重，選擇質優鋼筋需檢查鋼筋各種合格證明，這是鋼筋進場前的首要工作，符合要求的鋼筋才可進入施工場地，剪力墻結構墻體配筋大多數需把垂直鋼筋安置在里面，水平鋼筋安置在外面。這是因地底下墻體配筋相對于其他部分較多，且地下水壓和土壓造成壓力較強，剪力墻結構配筋通常符合建議標準和工程測算的最小配筋率即可。依據實際現狀制定剪力墻優化設計能較好減少投資成本。對剪力墻厚度選擇尤為重要，不必特意把最小厚度定為200mm，在滿足結構計算要求前提下也可采用180mm或160mm剪力墻。

（五）剪力墻結構連梁的優化設計

相關剪力墻結構標準中明確提出，如連梁的跨高比大于5的時，就需按照框架梁要求展開設計，這也就是表示，跨高比大于5的連梁，其剛度不可減少，然而當連梁跨高比在5～6時，一旦剛度不減少，很有可能造成剪力過大的情況，使得建設工程成本增加，浪費資源。解決方法就是使跨高比大于6，這樣就可明顯減少鋼筋與混凝土使用量，有效減少投資成本。

（六）層間位移比和最大位移的優化設計

依據規定，在核算常遇地震作用標準值造成樓層最大的彈性層間位移時，把以高層變形建筑物排除以外，大多數不扣除整個結構的彎矩變形，同時算入扭轉變形。所以，以高層建筑為例，首要任務是制止樓層間和剪切變形。據制約的垂直構件數量可制約剪切變形，一旦單數構件布置的不科學，一樣能產生很大的扭轉變形，所以，高層建筑需最大可能減少扭轉變形，不可隨意增設構件剛度。

（七）剪力墻結構計算的優化

在剪力墻結構設計時，應對結構合理性進行考察分析，比如在剪力墻結構剛度適宜情況下，應對規范規定的樓層最小剪力系數進行計算來保證樓層最大層間位移與層高之比的規范性；在對偶然偏心影響地震作用下進行分析后，應對樓層豎向構件最大水平位移和層間位移進行計算，保證A級高度高層建筑基本保持在樓層高度平均值的1.2倍內，當超過1.2倍時，也絕對不能超過樓層高度平均值的1.5倍等等。

對樓層最小剪力系數的調整，短肢剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩應該在結構的總力矩的百分之四十以下，在此基礎上應該合理的對剪力墻進行設置，設計合理的剪力墻設置方案，保證剪力墻側向剛度的合理性，在樓層最小剪力系數上也應該控制在一定的范圍內，通過這樣的設計能夠使得剪力墻結構的自重降低，進而對地震作用有著一定的抑制作用，同時還能節省一定的施工成本。對于樓層最大層間最大位移與層高之比的調整，在進行多地震作用的樓層的最大層間位移的計算時，要注意樓間彎曲變形，對于整體結構彎曲變形可以不進行扣除。所以要保證高層建筑的扭轉變形控制在最小的范圍內，在對層間位移進行充分的分析之后在進行豎向構件剛度的改變。但是有的設計人員會通過增加某一方向上的側向剛度來保證該方向上的層間位移上的要求，但是這樣的設計會使得結構的剪重比難以控制。除此之外，還應該對結構扭轉為主和結構平動為主的第一自振周期之比以及連梁超限等方面進行調整，從而更好的保證高層建筑剪力墻結構設計的最優化。

結語

綜上，建筑企業若想在未來的建筑行業競爭中獲取更多的主動權，就必須加強對建筑結構設計的重視。高層建筑剪力墻結構設計對整個高層建筑項目的施工質量保證具有關鍵性作用，必須重視對設計技術的研究和不斷探索。

參考文獻

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