探析高层剪力墙结构的优化设计

探析高层剪力墙结构的优化设计

罗才进

深圳市天华建筑设计有限公司

摘要：随着高层建筑的增多，在当下经济环境中，要实现建筑效能的最大化发挥，在其结构设计中，必须打破常规，采用空间布置法，实行结构转换层，而出于经济因素分析，剪力墙结构则是进行高层住宅设计的首选。基于此，本文就围绕高层住宅剪力墙结构的优化设计展开详细的阐述。

关键词：高层住宅；剪力墙结构；优化设计

1、高层建筑与剪力墙结构的概述

1.1高层建筑

10层及10层以上或房屋高度大于28m的住宅建筑和房屋高度大于24m的其他高层民用建筑。

1.2剪力墙结构

剪力墙结构是指由剪力墙组成的承受竖向和水平作用的结构。而剪力墙结构主要分为两种，一种就是连梁结构，还有一种是墙肢结构，剪力墙的优点很多，例如：刚度大、承载力强、整体性好、建筑过程用钢量偏少等。现浇钢筋混凝土剪力墙结构，除了承受楼板传来的竖向荷载外，还承受风荷载和水平地震作用。剪力墙结构的抗侧刚度大，在水平力作用下的侧移较小，承载力较大，且整体性较好。在近年的多次大地震中，剪力墙结构破坏很小，均表现出很好的抗震性能。

2、高层剪力墙结构的经济分析

剪力墙结构刚度大，整体性好，用钢量较省。在高层住宅中，开间均较小，分隔墙较多，采用现浇剪力墙结构可将承重墙减少，比较经济。剪力墙外观整齐，没有露梁、露柱现象，便于室内布置。另外，剪力墙结构的抗侧刚度大，结构周期小。在结构设计中应保证剪力墙结构满足国家规范关于结构水平位移和地震力的要求，做到安全适用，经济合理，就必须在实际工作中有所判断，将结构水平位移和地震力控制在合理的范围内。

3、探析高层剪力墙结构设计的布置原则及注意要点

3.1高层剪力墙结构设计的布置原则

剪力墙结构一般都是应用于超高建筑和高层建筑，而在高层建筑结构中，结构位移是结构设计的一个主要指标。其中包括层间位移比和竖向层间位移角。另外，伴随着住宅建筑高度的不断的增加，水平的荷载作用效应起主要控制作用。而剪力墙在平面内有很大侧移刚度，所以剪力墙是承载着来自高层建筑的绝大部分的水平作用和水平剪力。

在超高层建筑和高层建筑结构设计中，通过调整结构的侧向刚度来控制结构位移和层间位移角，而通过调整结构的扭转刚度来控制结构的扭转位移。剪力墙结构体系中结构的侧向刚度大小是可以通过剪力墙的截面来控制，例如剪力墙布置较多时，相对应的侧向刚度大；剪力墙布置较少时相对应的侧向刚度相对较小。另外通过剪力墙在建筑平面中的布置位置调整，可以控制剪力墙的扭转刚度从而达到控制结构扭转。结构的整体稳定、承载能力和刚度以及经济合理性的一种宏观控制。假如剪力墙体在高层建筑物中有比较合理的截面和平面布置，就会形成一个能够很好的抵抗墙体水平力的结构体系，此时还能够有效的分割空间，最大限度的满足建筑使用功能。

3.2剪力墙结构设计的注意点

3.2.1剪力墙结构墙体越多，其带来的建筑压力就越大，造成地震的反应度就越大，易造成安全危及；剪力墙结构的刚度越大，地震影响力就越大，若配筋率低，则延性差，这就要求在进行设计中进行刚度、延展性以及抗压性设计。

3.2.2在转换层控制中，要在建筑荷载能力的控制下进行，要依据强转换弱上部的原则进行设计，并可根据强柱弱梁的方式，进行框支架设计，以便于提升建筑的抗震能力。

3.2.3在结构设计计算中，要在细算后预留一定的富裕量，按照相应的剪力墙系数标准进行设计；在进行剪力墙空间布置上，进行双向布置，来实现其空间结构的美观性，同时由于剪力墙自身的负重能力较高，在进行经济性计算分析中，要适度减少材料的投资，如剪力墙有钢量约占到50-65%，边缘构件约占30-50%，因此，其剪力墙的数量过多，则会引起严重经济浪费，所以，在进行经济含钢量计算时，一定要准确，以实现剪力墙设计的经济效益和环保效益。

4、高层住宅剪力墙结构的优化设计及结构措施

4.1高层住宅剪力墙结构的优化设计

实现高层住宅的抗震能力、安全性是剪力墙结构设计的根本出发点，在设计中，剪力墙结构的含钢量、材质、各部位的转接与承和，支持建筑的梁、柱等都是保证建筑安全的因素。

从整体上看，刚度控制与材料选择是进行建筑安全性控制的关键点。①增强墙量与刚度。高层住宅占用空间较大，其本身具有自身负载较大，在设计中，考虑到整体建筑结构，一般会采用框支剪力墙结构，其要求框架侧移曲线成剪切型，剪力墙的侧移曲线弯曲，这就要求在设计过程中，要进行两者力度的协调，在建筑周边均匀布置剪力墙，若平面形状变化较大，则在凸起部分进行剪力墙结构设计，如进行T型、L型的剪力墙结构设计，以实现建筑刚性的增加。②科学选用抗震材料。依据建筑地层和建筑层次进行材料选用，如在建筑层升高的情况下，混凝土强度等级为C45-C30，剪力墙的厚度为450mm-300mm，在现阶段我国一般采用型钢混凝土，这就有效控制了转换断层面，而其强度高于单纯的混凝土，这就提升了构件的受压力和承载力，有效实现了建筑抗震能力的提升。

具体来看，在高层住宅剪力墙结构设计中，要准确把握住影响建筑安全性的各个因素，合理计算建筑设计经济性，按照标准进行建筑设计。

4.2高层住宅剪力墙结构的结构措施

4.2.1减少混凝土使用量，减轻上层结构自重

在满足质量要求、楼板厚度和计算跨度比值、防火与设计管线要求的情况下，将上层楼板厚度进行控制为100mm，这既能够降低混凝土资源消耗，又能够减轻上部剪力墙的自重。在开间扩大剪力墙距离的标准下，以轻质隔墙代替一部分墙，采用梁柱代替楼板，在隔墙处进行梁柱设计，这既有利于提升可用空间，又能减轻质量，但在其设计中，由于建筑开间和建筑进深度较小，梁宽与隔墙具有相等厚度，再设计时，要避免露梁。

4.2.2抗震设计

进行纵向布置：转化层的上下等效侧向刚度比例一般在1.1-1.5之间，接近1.1，不得大于1.5，要强化下部，弱化上部，尽量防止薄弱层的出现，并通过计算分析，来确定可能存在的薄弱部位，通过分力分配特点研究，进行内力和构建配筋设计调整；尽量实现剪力墙落地，必要处采用L、T型结构设计；上部剪力墙厚度要降低，底层厚度要加大，如转换层以下剪力墙的厚度为250mm，上部为200mm，这对基层稳定，增强建筑抗震性具有重要作用。再就是，在进行T、L或十字型结构设计中，需要注意的是，对于小开口墙体配筋时，仅在洞口两侧配置构造边缘构件，而当腹板与冀缘不匹配时，则可适度放宽对冀缘边缘构件的要求，而在十字墙交叉部位也仅仅按照构件要求进行暗柱设计；剪力墙顶部要设置暗梁，且高度为400-500mm，并按照结构要求进行纵筋和箍筋配置，底部剪力墙设计时，尽量不要开洞，若必须开洞，则开小洞，并用轻质物质进行填充，以保持剪力墙的刚度。

结束语：

综上所述，基于建筑功能的实现，剪力墙结构应用于高层住宅中，其表现出了一定的经济性、安全性优势，在其设计过程中，要把握住剪力墙结构的刚度、自重、抗震力等，通过科学计算和结构优化，来促使建筑质量的整体实现，同时，高层剪力墙结构受限于建筑的平面要求，结构应提前介入，尽量使平面合理，使结构布置合理并达到结构优化的目的。

参考文献：

[1]鲁晟男.浅析高层建筑结构概念设计[J].才智，2011（19）.

[2]刘跃平.高层建筑剪力墙转换层结构的设计[J].湖南工程学院学报，2013（12）.

[3]黄晓亮.小高层住宅剪力墙设计的注意事项[J].中国新技术新产品，2010（07）.