论高层建筑的剪力墙结构设计

周多能

【摘要】近几年来，我国正在向城市化方向发展，高层建筑行业也逐渐成为城市建设事业中不可或缺的一部分。高层建筑剪力墙结构的设计，能够有效的防止楼体受地震等灾害的影响，有助于加强建筑物的抗震能力、整体性以及侧向刚度，对建筑事业的发展起到了很大的作用。本文以某高层建筑项目为例，就该项目的框架-剪力墙结构布置和计算结果进行分析，并通过合理的结构设计，以提高建筑抗震性能。

【关键词】高层建筑；结构布置；框架与剪力墙；设计

一、定义及项目概况

高层建筑剪力墙结构设计是在高层建筑中广泛使用的一种墙体结构， 这种墙体结构的原料主要是钢筋混凝土，通过横向承重板和纵向承重板纵横交错来达到增强楼层的承重能力的目的 。

某项目建筑面积约30000m2，建筑总高度98.9m，地下室为两层，地面建筑34层。本工程风荷载取值：0.30kN/m 2，建筑高度大于60m时，承载力设计时风荷载计算按基本风压的1.1倍采用，地面粗糙度B类，风荷载体型系数1.4。

二、工程地质概况

本工程地质成因较复杂，人工土下为冲洪积“硬壳层”，以下为湖沼积淤泥质土、黏性土、有机质土及泥炭质土，再下为坡积黏性土和残积层，本场地基岩埋藏不太深，属寒武系下统筇竹寺组灰岩。

甲级，基础顶面同底板顶面。电算模型应带地下室，且至少往外扩出两跨，以基础承台面为嵌固端，N base=1，进行整体计算分析。土的水平抗力系数的比例系数：M1=300（应使地下室层间位移达到1//9999）。桩端持力层采用：含粉质黏土角砾，桩端进入持力层深度≥1m；强风化粉砂岩，桩端进入持力层深度≥1m； 中风化粉砂岩，桩端进入持力层深度≥0.5m。

三、建筑结构布置

在高层建筑结构设计中，为使结构单元简单规则、对称、减少偏心，在方案设计阶段就与建筑专业合作，进行合理的结构选型。在孕育建筑艺术与建筑功能完美结合的过程中，结构布置根据本专业特点在选型和构造上，既做到使结构方案抗震、抗风性能好，而且经济合理，同时使结构的美与建筑形式巧妙组合，使建筑功能美妙流畅，利用结构美强化建筑创意，共同营造出完美的建筑形象。

1、框架部分布置

框架设计成双向梁柱刚架体系，一向与核心筒连接，另一向由4根柱和两个角部剪力墙连接，形成框架一筒体结构体系，使框架和剪力墙共同承担纵横两个方向的地震作用和风荷载作用。框架梁柱轴线重合使梁柱处于最佳协调工作状态，避免了梁柱偏心造成节点核心区构造和受力的不利影响。由于现有施工工艺的限制，混凝土标号不够高，本工程只用到C40。这在高层结构设计中经常造成大量出现短柱，本工程1～6层没有出现短柱，这是本工程的一大优点。柱沿高度方向变截面，但上下层柱的轴线没有改变，既做到柱沿高度变化均匀，又做到上、下承接流畅，没有偏心。以上是框架结构布置概念的核心部分，经过与建筑、设备等专业的协作配合，使得该工程框架部分的效率得以充分发挥，没有由于布置上的不整齐、不规则而产生次应力。

2、剪力墙部分布置

将剪力墙集中布置，形成一核心筒，是充分发挥剪力墙效率的最佳方法。核心筒的刚度不是核心筒内：a.单肢墙；b.联肢墙；c.整体小开口墙的刚度的简单相加。它具有很大的抗侧力刚度，其刚度取决于墙体的分布、连梁的形式、洞口的大小、楼层上板的连接等诸多因素，因此要准确计算出核心筒的刚度，则需要借助于计算机。

核心筒的布置平面分布宜均匀，两方向墙的刚度接近，连梁适中，单肢墙长度小于8m，纵横两方向比例合理，使两个方向变形接近。

剪力墙的轴线和框架的轴线一致，剪力墙沿高度方向变截面，使刚度均匀变化，上、下层的剪力墙轴线重合，使应力传递合理。

由于剪力墙受力机理十分复杂，其变形与传力的方式受到多方面的影响，如连梁、洞口、楼板等，要使其布置合理化，必须经多次计算，多次调整方能充分发挥剪力墙的效率。本工程经过多次调整，使平面及竖向布置较为理想。主要技术指标如下：

总重量W=434168kN；标准层形心坐标为X=16，65Y=16.65；荷载形心坐标为X=17.L，Y=16.60

两形心距为 e=0.45，e/1=0.45/28.2=1.6%

荷载中心与平面中心基本重合，平面形状规则，构件布置匀称。

四、框架与剪力墙的关系

框架—筒体结构体系中，应有足够数量的剪力墙，它承受的结构底部由地展作用生产的弯矩大于结构底部由地震作用产生的总弯矩的50%。当剪力墙的刚度太大，会使结构刚度过大，从而加大地震效应，增大结构内力，同时使框架也不能充分发挥作用，降低了结构体系的效率。因此必须使结构刚度特征值2.4>λ≥1.15。该大厦计算成果显示框架承受12%水平力，剪力墙承受88%水平力。经调整，框架承受20% 水平力，其余水平力由剪力墙承担，结构刚度特征值 λ=1.8。

框架—筒体结构计算所得的框架各层总剪力按下列方法调整：①Vf>0.2V。Vf 按计算值采用；② Vf<0.2V。的楼层，设计时Vf取Vmax和0.2V。的较小值；③屋面突出部分框架的总剪力取本层框架部分计算的1.5倍。

五、结构计算结果说明

计算得到的前6阶模态振型的振动周期结果列于表1。两个程序计算得到的第一周期、第二周期T1、T2分别为Y、X方向的平动周期，第三周期T3为扭转第一周期，T3/T1小于规范的限值0.90，表明该结构具有良好的抗扭能力，符合抗震概念设计的要求。振型曲线符合正常规律。从表1可见，扭转周期比满足要求，有效质量系数满足要求。

计算得到的结构最大响应位移结果列于表2，层间位移角以及位移比均满足要求，地震作用下的剪重比在正常范围内。

六、结构抗震性能综合评价

本工程属超限高层，在结构设计中采取了较为合理的结构布置和有效的构造措施，从而减小了扭转不规则带来的不利影响，使得结构仍具有良好的抗震性能，计算满足现行规范和规程的要求。

在考虑基于结构性能的抗震设计中，针对不同水准的地震作用，采用不同的性能目标。拟实现：小型地震，结构满足弹性设计要求，全部构件的抗震承载力和结构层间位移均需满足现行规范要求，结构构件处于弹性工作状态。中型地震，结构的薄弱部位和重要部位构件（剪力墙底部加强区）处于弹性工作状态，进行结构非线性分析时，允许有些选定的部位接近屈服阶段，但不允许发生剪切等脆性破坏，各构件细部构造满足中等延性要求。大型地震，结构重要部位的构件不屈服，对结构进行非线性分析，允许有些选定部位的构件达到屈服阶段，但应满足变形限制要求（楼层的最大层间位移角小于1/200），不发生剪切等脆性破坏，各构件的细部构造满足高延性要求。从计算分析结果上看，本工程在8度多地震作用下，各项结构反应指标均可满足规范要求。

七、结语

綜上所述，合理地搞好框架-剪力墙结构的设计，将直接影响到建筑物的安全使用与技术经济指标的高低，在结构设计初步阶段，剪力墙数目的合理确定，不但可以减少大量重复工作的问题，还可以达到经济的目标。