高层建筑剪力墙结构优化设计分析探讨

张诗勇

【摘要】在高层建筑设计当中对剪力墙工程进行科学合理的设计不仅能够使得整个建筑更加具有空间上的美感，同时还能在很大程度上对建筑结构的抗震能力进行有效的提升，从而起到提升建筑安全性和可靠性的作用，为人们提供了更加安全的建筑环境的同时也对建筑企业的发展有着很重要的积极作用。本文对高层建筑剪力墙结构优化设计进行了探讨。

【关键词】高层建筑；剪力墙结构；优化设计；措施

对高层建筑中的剪力墙的应用更能有效的体现出其很好的优势。不但能够满足建筑最基本的使用功能，还能够对人们日益增长的个性化需求以及工程经济性需求和耐久性的要求都可以实现。剪力墙的结构设计技术的应用能够有效的确保建筑的质量，也能够降低建筑工程的生产成本。

一 剪力墙结构的概念及特点

1 剪力墙结构概念

剪力墙又被称为抗风墙、抗震墙、结构墙，既能够承担水平构件传来的竖向荷载，又能够承担风力或地震作用传来的水平地震作用，可以节约层高，空间利用比较好。剪力墙结构主要分为：实体墙或者截面剪力墙、整体小开口剪力墙、双肢或多肢剪力墙和壁式框架等，每一种剪力墙结构都有不同的形式和作用。

由于剪力墙平面外承载力和刚度很小，而平面内承载力和刚度则相对较大，要尽量避免平面外的搭接，因为在梁与剪力墙进行连接时，会产生平面外弯矩的现象，使剪力墙平面外的安全性受到威胁。在剪力墙结构设计中，连梁跨高比小于2.5或者大于5的时候，会出现弯矩，剪力也会超过规定的限值，对工程造价产生重大的影响。

2 特点

剪力墙在房屋结构中的主要作用在于抵挡各种荷载，是建筑物主要的支撑结构。剪力墙作为承担竖向荷载也就是常说的重力、抵挡水平荷载的主要结构，是一个能与墙体、楼板共同组成受力体系的结构，它的主要缺陷在于不能拆除或者说是无法破坏。就目前我国建筑工程现状而言，剪力墙结构由于造价高、施工困难、材料耗费大的特点而往往被建设单位所限制，为此在其设计中需要认真地进行归纳和总结。

二 高层建筑剪力墙结构优化设计的措施

1 对转换层结构的设计给予足够重视

随着科技的不断发展，人民生活的丰富，现代居民对居住环境的要求也普遍增高，希望建筑物具有多种功能就是要求之一。因此现在的建筑物的综合性能大都比较强，这些综合性能中最基本的就是使用这一性能，在使用性能这个方面，由于建筑物上部与下部的机构不同。因此，在对这些层数较多建筑物进行结构布置时，要注意到多方面的变化和一些潜在的风险。在剪力墙结构设计的布置过程中要将转换层的结构设计布置好。剪力墙结构的设计在建筑物的设计中占有重要作用，应该得到我们的加倍重视，对其重视的同时还要考虑到在高位转换的底部大空间当中，它的结构相对其他空间要复杂的多。因为当转换层的刚度和质量比较高时，转换层会随着高位转换而升高，其中最应该得到重视的是能够有效的将转换层和上下的刚度调整到接近的地步，对于转换层来说，质量与刚度都不应该太大，最终转换层附近能不能达到层间位移角基本均匀的情况，这要控制在水平作用力之下，然后在空间范围上进行仔细的分析，检查均匀受力的情况。在转换层中要选择那些重量与刚度都比较小的材料，在现实计算时，对关系组合的振型数要进行仔细的选择。只有通过计算，才能找出在转换层结构中，风险度最高的部分，然后再针对这一部分通过内力分配的特点进行分析讨论，改善风险部分的设计特点，对构件的配筋进行合理的调整，将薄弱环节改为保险环节。

2 转换层上下部结构的优化设计

（1） 剪力墙布置在转换层的上下刚度的传递方面有很大的作用。刚度突变这个问题在希望能够准确的传递上下两种不同结构形式的内力中是最先应该注意的，要想解决刚度突变的问题，对于转换层上下的结构主要有两种解决方法：a.在上部中尽可能的不要设置剪力墙，减少上部的刚度。满足轴压比的同时，使墙肢尽量的短一些；b.要加大下部的刚度，在满足了建筑的功能性的前提下，要在空间层比较大的场所内合理的进行落地剪力墙的布置，此外布置的落地剪力墙要注意不要太集中，同时将其均匀的的分布在大空间层之中。

（2） 需要设计合理的选择转换层上下部结构的刚度。其中，地震反应、竖向刚度、材料的使用量等都会受到转换层刚度的影响。剪力墙转换层刚度过大的时候，地震的反应会变大，竖向刚度也会随之升高，还会使材料的使用量加大，增加经济费用，从资源使用上来说这更是一种浪费的行为。反之，转换层刚度太小的话，就可能因为沉降差的出现而在上部结构与水平结构之间出现明显的次应力， 其水平与上部结构是相互连接的，进而使配筋的数量大幅度增长。然而这些影响，在正交主次转换梁结构中对于次梁的转换表现的尤为突出。为了避开这些潜在的风险，就需要我们要对截面尺寸进行合理有效的选择，选择的转换层刚度必须要满足设计和使用的要求。

3 尽量合理的减小剪力墙厚度

增加剪力墙厚度，虽然能提高结构抗测力的能力，同时也增大了结构的地震力，但是由于影响剪力墙结构的因素众多，结构抗侧移能力与结构所承受的地震力两者不一定成正比变化。剪力墙厚度的取值不仅影响到结构的自重、结构的质量和结构刚度，而且直接影响到工程造价的高低。因此，设计者在进行剪力墙优化布置时应尽量合理的减少墙厚。

一般情况下影响剪力墙墙厚取值的因素如下：

（1）通过结构分析，依据结构的最大层间位移、最大层间位移比、周期比以及楼层刚度等控制因素，选取合理的剪力墙厚度。

（2）根据规范对结构轴压比的规定。

（3）稳定性及构造性要求。“高规”规定按稳定性要求确定剪力墙的高厚比，当不能满足时应按“高规”附录算墙体的稳定性。

4 严格控制剪力墙的配筋率

《混凝土规范》规定，抗震等级为一、二、三级的剪力墙的水平和竖向分布钢筋配筋率均不应小于0.25%；四级抗震等级剪力墙不应小于0.2%，分布钢筋间距不应大于300mm；其直径不应小于8mm。这在高层或者剪力墙墙肢较长的剪力墙结构中应该是合理的，但对于短小、低矮的剪力墙，应适当减小其水平筋的配筋率；墙的竖向最小配筋率应包括边缘构件中的钢筋，同时应注意避免竖筋过多使墙的抗剪强度小于抗弯强度，对抗震不利。

5 减轻结构自重

通过结构优化减少混凝土用量，减轻结构自重，可以减小结构内力、竖向荷载和水平地震作用力，特别是转换层和基础的钢材和混凝土。

（1）楼板：楼板在整个建筑中占据着相当大的比率，减小楼板厚度即减少了单位建筑面积混凝土用量。将楼板厚度控制在满足板的厚度与计算跨度要求的比值，并满足防火和预埋管线要求的较小值，可使得混凝土的消耗量最低。

（2）剪力墙：在考虑楼板的同时也应考虑剪力墙的混凝土消耗量最少。扩大剪力墙开间的间距，用轻质隔墙替代部分开间的墙体，能有效地降低混凝土用量。

总而言之，因剪力墙结构的抗震性能较好，安全性较好，所以这种结构设计形式在进行高层建筑时使用的较多。随着对新材料的应用以及技术的不断更新的同时，建筑物也在不断刷新其高度。在重视概念设计的基础上，与当下的建筑的新技术新材料进行结合，将高层建筑的空间、高度、美观协调的更为完美。

参考文献：

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