建筑剪力墙结构优化设计问题思考

建筑剪力墙结构优化设计问题思考

张曦

南京长江都市建筑设计股份有限公司  江苏 南京 210000

摘要：建筑剪力墙结构广泛应用于各类建筑，科学、合理的设计，是保证建筑结构可靠安全的关键因素。剪力墙结构关系到高层建筑的安全性和稳定性，如何优化剪力墙设计方案从而提升高层住宅的抗震性能，成为亟待解决的问题。本文分析了高层建筑剪力墙结构的重要性以及存在的问题，并提出了解决方案，以改善剪力墙结构的性能。

关键词：高层建筑；剪力墙结构；厚度；尺寸；抗震

引言：

建筑结构设计是影响整体工程使用寿命的主要因素，因此设计人员必须重视建筑结构的设计。建筑剪力墙是一种广泛应用于高层建筑中的结构形式，其作用在于增强建筑体系的整体稳定性。为进一步发挥剪力墙结构在高层建筑中的应用优势，设计人员需要对剪力墙结构树立清晰的认知，明确掌握剪力墙设计要点，确保实际设计过程中形成的结构有效满足建筑结构设计要求。

1、建筑剪力墙结构设计的重要性

建筑工程结构中，发挥主要支撑作用的是剪力墙，其保证建筑工程有较高稳定性，提高整体建筑的抗震性能，并具有良好刚度。剪力墙的设计分析是基于力学原理和结构力学理论的应用，通过分析剪力墙的受力特性，确定其尺寸、形状和受力性能，以满足地震荷载下的结构稳定和安全要求。剪力墙结构是利用建筑的内墙或外墙做成剪力墙以承受水平和垂直荷载的结构，剪力墙结构设计时，需考虑墙体的位置、尺寸、厚度、布置和连接等因素，通常墙体集中设置在建筑的核心部位，形成一个或多个垂直分布的墙体系统。剪力墙之间的间距和布置需满足地震力的传递和分布要求，以确保从地震产生的力和位移能够有效传递到剪力墙上，并充分发挥其抗震能力。在剪力墙结构中，是以钢筋混凝土墙肢作为吸纳地震力的主体构件的，且与钢筋混凝土梁一并用于承受内部压力，并确保各方向受力平衡，以减少整体失稳，局部震动及剪切破坏的可能性。

剪力墙结构设计不仅关系到剪力墙结构施工质量及安全，还关系到整个建筑工程结构稳固性、工程质量，相对于框 架结构体系，其不仅仅能够表现出更高的建造高度，往往还可以实现建筑物隔墙和承重墙的有机结合，进而较好满足建筑工程项目实用价值的同时，有效提升其经济效益。在高层建筑的结构设计中，剪力墙的合理设计和优化是至关重要的，剪力墙结构的布置形式多种多样，能够在各种工况条件下满足建筑的功能要求，同时经过合理应用、科学选材，可以兼顾建筑的成本以及品质，需要综合考虑建筑层数和高度，建筑所在区域地震烈度等因素，保证建筑的功能要求的前提下，建模验算墙肢在各方向的长度，从而兼顾安全性与经济性。

2、建筑剪力墙结构设计优化措施

2.1优化剪力墙空间布置

剪力墙的优化设计在建筑结构中至关重要，其中空间布置的优化设计是其中一个重要方面。

建筑剪力墙结构设计中，需要设计师对建筑自身的建筑需求进行分析，以简单、规则为主要原则，强化剪力墙结构质量，防止在建筑过程中出现刚度不足等问题，影响到高层建筑的剪力墙结构质量。在剪力墙的布置中，尽量保持对称性，即左右对称或前后对称。对称布置能够使结构受力更为均匀，减小局部应力集中，提高整体稳定性。在剪力墙的布置中，可以考虑将剪力墙与其他结构构件进行联合布置，如柱子、楼板等，通过合理的联合布置，可以形成一个整体刚性更大的结构系统，提高整体承载能力和稳定性。

在设计剪力墙时，要保证结构平面布置的刚度中心与质量中心尽量重合，剪力墙中心的刚度与墙的刚度有良好的对应性，墙的平衡能力提高。剪力墙建议按双向布置，并应保障墙体竖向的连续性，这样使结构即能保有一定的侧向压力，受力还能更为均匀。同时，增加剪力墙的数量和布置密度，可以提高结构的整体刚度和抗侧扭刚度，通过将剪力墙均匀地布置在建筑平面上，可以有效地分散水平荷载，减小结构的挠度和变形。在进行结构布局时，应尽可能使墙体的同向分布均匀，使其在平面内成为多个联肢共同工作的整体，并尽可能地防止其错位，通过精妙的结构布局设计，剪力墙能够有效地承担水平荷载，为建筑提供坚实的支撑。同时，考虑空间布置的优化设计还要关注剪力墙与其他结构构件的相互影响，剪力墙与柱、梁等结构构件的相互作用关系直接影响结构的整体性能。通过优化剪力墙的布置，使其与其他结构构件形成合理的相互支撑关系，可以提高整体结构的刚度和稳定性。

2.2采用合理的截面形式和尺寸设计

剪力墙的数量和尺寸需根据建筑的荷载情况和抗震要求进行合理设计，保障墙体面积和强度足够大，以及布置密度以实现整体结构的均衡性。在进行截面形式和尺寸设计时，需要综合考虑结构的安全性、经济性和施工可行性等因素，并遵循相关的设计规范和要求，还需要进行结构的详细分析和计算，确保设计方案的可行性和可靠性，选择合适的截面形式能够提高剪力墙的整体刚度和承载能力，减轻应力集中。在剪力墙尺寸设计中，设计人员应该重点考虑到不同剪力墙形式的应用效果，结合建筑工程项目 结构体系的具体要求 ，首先合理确定剪力墙形式 ，应尽可能减少“一”字型墙肢，降低墙体失稳的出现概率，宜布置“L”型或“T”型的墙肢。L型墙肢和T型墙肢具有良好的稳定性，能够实现对框架梁和墙肢端部的锚固需求。一字墙的结构稳定性较差，在地震作用下可能会出现平面外破坏，而复杂形状的转折墙体则会在无形中增加对边缘构件的使用数量，导致建筑成本增加。剪力墙要尽可能采用连续设置的形式，形成贯通的连肢剪力墙，这是剪力墙的抗侧力性能能够得到最大。

同时，剪力墙尺寸设计中，设计人员更是需要进行精细化把关，结合相关标准和规范要求， 同时考虑到建筑结构体系的实际状况 ，促使剪力墙的各项尺寸参数较 为适宜合理，一般来说，增加剪力墙的截面尺寸可以提高其承载能力，减轻应力集中。由于建筑功能不同等各种原因，会使得墙肢长度不得不超过八米，为了保证这类墙仍具有较好的延性，可以采用开洞的方式把墙肢分为成长度较短的连肢墙。 在墙很长的情况下，开口设计要合理，墙高与截面高之比不大于2时，宜将长墙划分为几个较小的连接墙，这些连接墙的长度相对较小且均匀。总之，采用结构优化设计方法，通过计算机模拟和人工智能等技术，对剪力墙的截面形式和尺寸进行全局优化，找到最佳的设计方案，减轻应力集中现象。

2.3提高剪力墙抗震性能

在对建筑剪力墙结构的设计中，首要问题在于对剪力墙抗震性能的优化，要求高层建筑的抗震等级要高于规定值，这样才能够保障在外部因素的影响下仍然能够保持良好的承载性能。首先，需要对高层建筑的抗震性能需求进行详细分析。这包括考虑地震烈度、设计基准和结构性能目标等因素。确定了抗震性能需求后，可以据此制定剪力墙的布置策略。根据剪力墙所受到的地震荷载和结构响应，能够确定剪力墙的尺寸和配筋，以满足地震设计要求，厚度的确定、纵向配筋和横向配筋的设计等，通过对剪力墙结构的设计进行评估，验证其在地震力作用下的性能和安全性，使用各种准则和指标进行评估，如最大位移限值、剪力墙破坏形式、位移控制等。为了增加剪力墙的承载能力和抗震性能，可以采用加筋的设计方式，通过在截面中设置纵向钢筋和箍筋，确定主筋和副筋的布置和数量，横向配筋增加墙体的抗剪能力和抑制开裂，可以提高剪力墙的整体刚度和抗剪能力，减轻应力集中现象。剪力墙的厚度直接影响其抗剪强度和刚度，因此剪力墙的厚度应满足强度要求，能够承受地震和其他荷载引起的水平力，规范中对砼墙的厚度有具体的要求，剪力墙厚度最好能与填充墙厚度保持一致，从而保证剪力墙较强的刚度，避免其因受重力或地震力等因素产生结构形变和破坏。

其次，在对剪力墙进行设计优化时，需要考虑到剪力墙的延展性，精准计算剪力墙的轴压比，将其控制在合理范围内，并对高层住宅的结构进行分析，考虑到可能影响到剪力墙轴压比的各种因素，采用强有力的措施进行控制与预防，从而避免出现剪力墙轴压比过大的问题，维护剪力墙结构的稳定性。剪力墙的布置应尽量避免出现跨越开口或房间的不连续性，以确保结构的整体连贯性和稳定性，考虑到建筑物的功能区域、楼层平面布局和柱网格等因素，以实现最佳的空间利用和结构布置。

最后，根据高层建筑的平面布置和功能需求，选择剪力墙的合适位置，剪力墙应尽量分布在建筑物的正交方向上，以提供良好的抗震性能。在高层建筑剪力墙设计中要考虑到建筑主轴的位置，按照主轴进行双向设置，使得高层建筑的刚度和质量中心能够尽可能贴合在移除，避免因扭转效应对住宅结构造成较大影响。同时，设计时要对高层建筑的结构合理性进行综合考量，在保障结构稳定性的基础上对剪力墙墙肢进行加长处理，从而尽可能减少短肢墙，也能够避免在小区域内出现多道剪力墙，保障结构稳定性。

3、结语

在建筑结构设计中，剪力墙结构设计的运用展现了其在提升建筑整体稳定性和抗震性方面的重要作用。因此，设计者进行剪力墙结构设计时，应当在明确剪力墙结构设计原则的基础上，不断去优化完善剪力墙结构设计方案，通过精妙的结构布局设计，从而促进建筑结构设计水平的提升。

参考文献：

[1]李建新.建筑工程中剪力墙结构设计分析[J].建筑技术开发,2021(09):8-9.

[2]侯晨.高层民用建筑剪力墙结构设计特点及其优化策略[J].河南建材,2023(12):92-94.