高层建筑剪力墙结构设计研究

摘 要：随着城市人口的急剧增加以及经济的迅速发展，高层建筑已经成为解决用地紧张并彰显城市经济发展实力的举措。在高层建筑中，剪力墙是极其重要的结构，本文从对剪力墙的基本介绍开始，分析了剪力墙在设计过程中要遵从的原则，剪力墙的构造，以及在实际的设计要素。并概括性的提出了对设计的优化措施。

关键词：高层建筑；剪力墙；结构设计

中图分类号：TU97 文献标识码：A 文章编号：

一、剪力墙的设计原则

剪力墙被广泛使用于高层（可达300m）建筑中，由于高层建筑剪力墙间距一般较小，其缺点为平面布置不灵活。为了使高层剪力墙稳定向好、布局合理，因此高层建筑剪力墙结构应遵循以下原则：

剪力墙结构中全部竖向力和水平力都由剪力墙承受，所以一般应沿建筑物的主要轴线双向布置 特别是在抗震结构中，应避免仅单向有墙的结构布置形式，并宜使两个方向抗侧刚度接近，且建筑物应具有较好的抗扭刚度，使得A级高度建筑物的Tt/T1≤0.9，B级高度建筑物的Tt/T1≤0.85。

剪力墙的门窗洞口宜上下各层对齐、成列布置，形成明确的墙肢和连梁，使受力明确，计算简单。在抗震结构中，应尽量避免出现错洞剪力墙和叠合错洞墙。叠合错洞墙的特点是洞口错开距离很小，甚至叠合，不仅墙肢不规则，而且还在洞口之间形成薄弱部位，对抗震尤为不利。

（3）较长的剪力墙宜开设洞口，将其分为长度较均匀的若干墙段，墙段之间宜采用弱梁连接，每个独立墙段的总高度与其截面高度之比不应小于2。墙肢截面高度不宜大于8m。

（4）剪力墙沿竖向应贯通建筑物全高。剪力墙沿竖向改变时，允许沿高度改变墙厚和混凝土等级，或减少部分墙肢，使抗侧刚度逐渐减小，避免各层刚度突变，造成应力集中。

（5）高层建筑不应采用全部为短肢剪力墙的结构形式，且宜设置翼缘。短肢剪力墙较多时，应布置筒体（或一般剪力墙），以形成共同抵抗水平力的剪力墙结构。

（6）应控制剪力墙平面外弯矩。当剪力墙墙肢与其平面外方向的楼面梁连接时，应采取增加与沿梁轴线方向的垂直墙肢，或增设壁柱、暗柱等方式，来减少梁端部弯矩对墙的不利影响。

二、剪力墙的构造

材料应满足：一般剪力墙结构混凝土强度等级不应低于C20；短肢剪力墙的混凝土强度等级不应低于C25。钢筋宜采用宜HRB400级和HRB335级钢筋，也可采用HPB235级和RRB400级钢筋。

剪力墙的截面尺寸应满足：

一二级抗震设计的剪力墙的截面厚度，底部加强部位不小于层高或剪力墙无肢长度的1/16，且不小于200mm；其他部位不应小于层高或剪力墙无肢长度的1/20，且不小于160mm。当为无端柱或翼墙的一字形剪力墙时，其底部加强部位截面厚度尚不应小于层高的1/12；其他部位尚不应小于层高的1/15，且不应小于180mm；

（2）按三、四级抗震等级设计的剪力墙的截面厚度，底部加强部位不应小于层高或剪力墙无肢长度的1/20，且不应小于160mm；其他部位不应小于层高或剪力墙无肢长度的1/25，且不应小于160mm；

（3）非抗震设计的剪力墙，其截面厚度不应小于层高或剪力墙无肢长度的1/25，且不小于160mm。当墙厚不满足上述要求时，应计算墙体的稳定性。电梯井筒中的分割电梯井、管道井的墙肢截面厚度可适当减小，但不宜小于160mm。

抗震设计的剪力墙为了提高其变形能力和耗能能力，一、二级抗震设计的剪力墙底部加强部位及其上一层的墙肢端部应设置约束边缘构件；一、二级抗震设计剪力墙的其他部位以及三 四级抗震设计和非抗震设计的剪力墙肢端部均应设置构造边缘构件。对于约束边缘构件，其暗柱配筋满足规范要求的最小配筋率要求，一、二级加强区分别不小于1.2%、1.0%，并分别不应小于6φ16、6φ14，箍筋直径不应小于8mm，箍筋间距分别不应大于100mm、150mm；对于构造边缘构件，其暗柱配筋满足要求《高层建筑混凝土结构设计规程》（JGJ3-2002）表7.2.17要求；一般剪力墙竖向和水平分布筋的配筋率，一、二、三级抗震设计时均不小于0.25%，四级抗震设计和非抗震设计时均不应小于0.20%，钢筋直径不应小于8mm，间距不应大于300mm。当剪力墙高厚比不大于3时，宜按框架柱进行截面设计，底部加强部位纵向钢筋的配筋不应小于1.2%，一般部位不应小于1.0%，箍筋宜沿墙肢全高加密。

三、实际设计过程

1、结构平面和结构竖向设计

结构平面设计考虑有利于抵抗水平和竖向荷载，受力明确，传力直接，尽量均匀对称，减少扭转的影响，建筑平面力求简单规则，以减少震害。一般情况下在层数较多(20层以上)的高层建筑中常采用传统的全现浇剪力墙体系。因为如采用短肢剪力墙体系，就使得结构较柔，结构顶点位移和层间位移不一定能满足规范要求，底部剪力系数也偏低，结构趋于不安全。

结构竖向设计方面，根据项目高宽比（H/B），及符合抗震规范的要求。在抗震设计中要求结构承载力和刚度宜自下而上逐渐减小，变化均匀、连续，不要突变。该工程平面在竖向上没有大的内收外挑情况，平面从底至顶一致。竖向刚度的变化主要表现在分段改变构件截面尺寸和混凝土强度等级，从施工方便来说，改变次数不宜太多；但从结构受力角度来看改变次数太少，每次变化太大又容易产生刚度的突变。

2、设计具体内容

（1）最大地震力作用方向。最大地震力作用方向是指地震沿着不同方作用，结构地震反映的大小也各不相同，那么必然存在某个角度使得结构地震反应值最大的最不利地震作用方向。设计软件可以自动计算出最大地震力作用方向并在计算书中输出，设计人员如发现该角度绝对值大于15度，应将该数值回填到软件的“水平力与整体坐标夹角”选项里并重新计算，以体现最不利地震作用方向的影响。

（2）风荷载。结构基本周期是计算风荷载的重要指标。设计人员如果不能事先知道其准确值，可以保留软件的缺省值，待计算后从计算书中读取其值，填入软件的“结构基本周期”选项，重新计算即可。

（3）周期折减系数的确定。周期折减的目的是为了充分考虑框架结构或剪力墙结构中的填充砖墙刚度对计算周期的影响。由于填充墙作用，在早期弹性阶段结构会有很大刚度，因此会吸收很大地震力，当地震力加大时，填充墙首先破坏，刚度大大减弱。周期折减系数不改变结构自振特性，只改变地震影响系数。特性，只改变地震影响系数。周期折减系数取值，与结构中非承重墙体材料性质、多寡、构造方式有关，应由设计人员根据实际情况确定，可取0.75～1.0。

（4）框架梁刚度放大系数的确定。对于现浇楼板，在采用刚性楼板假定时，楼板作为梁的一部分，在分析中可用此系数来考虑楼板对梁刚度贡献。梁刚度增大系数BK可在1.0～2.0范围内取值。程序自动搜索中梁和边梁，两侧均与刚性楼板相连的中梁的刚度放大系数为BK，只有一侧与刚性楼板相连的中梁或边梁的刚度放大系数为(1+BK)/2，其他情况的梁刚度不放大。

四、结语

总之在进行剪力墙结构设计时，应根据具体工程的特点，对其剪力墙的受力状态进行正确的计算分析并结合其破坏形态进行设计以满足结构的安全性，熟练地掌握规范，并具有良好的结构概念。同时可以对设计好的结构进行优化，例如避免出现独立小墙肢与剪力墙刚度不宜过大，注重转换层结构设计，优化连梁设计，优化底部加强部位的设计，加强剪力墙结构的抗震薄弱环节及概念设计等措施。只有这样，才能设计出安全又实用的作品。

参考文献：

[1]赖海辉.刍议优化高层建筑剪力墙结构设计的措施[J].消费导刊,2009:14.

[2]徐永铭.从文献计量看我国环保混凝土发展态势[J].徐州工程学院学报,2008.23(4):11-14.

作者简介：潘风武（1980.02— ），男，山东省夏津县人，助理工程师，研究方向：建筑结构设计（钢筋混凝土框架、框剪、剪力墙结构设计、基础设计）。