某高层住宅剪力墙结构体系的优化设计与关键问题探讨

【摘要】高层建筑对于国民经济的发展具有重要的意义，剪力墙具有承重高、受力均匀的特点同时也能更好的满足建筑的使用功能，在高层建筑中的应用越来越普遍。本文对于高层住宅剪力墙结构体系的关键问题进行分析，并且结合高层建筑剪力墙设计实例，探讨剪力墙优化设计，期望为相关研究提供参考。

【关键词】高层住宅；剪力墙；优化设计

1、前言

高层建筑一般为9层以及9层以上的建筑，而高度在100m以上的，被称之为差高层建筑。随着城市居民的增长，城市用地紧张的情况逐渐加剧，高层建筑对于缓解城市用地紧张，保障国民生计具有重要的意义。根据国家《高层民用建筑设计防火规范》（GB 50045-1995）规定，超过10层或建筑高度超过24m的住宅为高层住宅，主要以建筑物室外地面到其屋面顶板为建筑物的高度，t望塔、电梯机房、出屋面楼梯等不计入高层住宅高度计算。随着社会经济的发展，对于高层住宅的平面与空间设计的要求越来越高，普通的框架结构不能够满足人们对于高层建筑的空间要求，剪力墙结构体系具有刚度、强度高，结构传力均匀等特点，具有整体性能好，能够满足人们对于住宅空间使用以及立面美观的要求，因此逐渐广泛的应用于高层住宅设计中。

2、高层住宅剪力墙形式特点与设计关键

2.1 高层住宅剪力墙特点

剪力墙体系是以钢筋混凝土墙抵抗竖向以及水平荷载的结构体系，现浇混凝土剪力墙的结构整体性好，承载力高，而且在水平荷载下结构的侧移较小，具有较高的抗震性能。剪力墙结构具有一定的延性，历次较大地震中剪力墙结构体系的震后结构破坏较少，但是在设计中，剪力墙受到空间约束较大，因此常用于住宅、公寓等建筑中，而在商场等公共建筑中使用较少。高层住宅剪力墙的形式特点主要如下：（1）悬臂剪力墙是高层住宅剪力墙的基本形式，而且悬臂剪力墙的结构合理布置形成住宅的主体，在荷载情况下，剪力墙受到的影响主要有剪切破坏、滑移破坏以及弯曲破坏，对于剪力墙的设计中，应该对剪力墙的强度，稳定进行计算，满足建筑的荷载要求。（2）剪力墙在实际工程中可分为整体墙与联肢墙，其中整体墙与竖向悬臂构件类似，因此在设计中进行配筋是应该尽量将钢筋设计在墙肢的两侧，并且可以加大配筋率以增强墙体的延性；联肢墙是由混凝土连梁连接的剪力墙，主要以剪切破坏为主，因此在设计中需要着重验算墙肢的轴压比限。（3）剪力墙的壁式框架主要是因为剪力墙开洞较大时所应用的结构，由宽柱以及宽梁的短墙肢构成，剪力墙的受力特点类似于框架结构。

2.2 剪力墙的类型与布置原则

剪力墙主要有整体墙、短肢剪力墙、小开口整体墙、无洞单肢剪力墙等剪力墙结构，为了确保剪力墙满足工程需求，需要按照剪力墙布置原则确保剪力墙的结构满足工程需求。剪力墙的结构布置原则如下：（1）根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3―2010）的规定，剪力墙结构宜采用自下到上的连续布置，避免因为结构不连续引发的突变，布置时尽量以平面周边为主这样能明显提高结构的整体刚度满足对位移角的规范要求；（2）剪力墙的平面布置应该以简单、规则为主要原则，两个方向的侧向刚度不宜相差过大，而且两个方向的剪力墙进行联接，确保空间工作性能达到最佳；（3）沿剪力墙的高度方向改变混凝土强度等级与墙厚，确保每个墙段的墙段高宽比超过2，而且将长墙分为较小长度，每个墙段借助连梁连接；（4）剪力墙洞口布置对于剪力墙的力学性能影响较大，因此需要确保剪力墙的门窗洞口上下对齐，确保剪力墙的应力分布均匀协同受力。

2.3 高层住宅剪力墙结构设计关键问题

在高层剪力墙的结构设计中，应该对剪力墙的转角窗、短肢剪力墙、剪力墙连梁配筋等重点进行分析，根据建筑的需求进行优化设计：（1）转角窗的设计，现代高层住宅设计中，转角窗能够为房间提供开阔的视野与采光通风，因此在住宅设计中具有广泛的应用价值，但是转角窗的设计会造成结构的抗扭刚度降低，因此需要采用提高剪力墙配筋率，加厚楼板或加楼板暗梁等方式，对转角窗进行加强。（2）短肢剪力墙的合理设计，在高层剪力墙的设计中，按照《高层建筑混凝土结构技术规程》的规定设计短肢剪力墙，保证短肢剪力墙的承担的底部倾覆力矩符合规范要求，而且短肢剪力墙的形状、轴压比、钢筋配筋率等参数必须满足规范要求，从经济角度讲尽量少采用短肢剪力墙。（3）剪力墙设计时要满足规范对轴压比及墙体稳定性的要求，既经济又合理。

3、高层剪力墙结构体系优化设计实例分析

3.1 工程概况

以某城市的高层住宅为研究对象，拟建场地的地势平坦、地面标高介于411.55～412.46m之间，而且住宅的主体高度为95.700m，地上层数为33层，地下两层，采用剪力墙的结构设计。工程的结构安全等级为二级，地基基础设计等级为甲级，抗震为标准抗震分类，抗震防设烈度为8度，裂缝控制等级为三级，地面粗糙度为C类，基本风压0.4kN/m2。

3.2 剪力墙结构设计

工程中的剪力墙结构主要呈现平面蝴蝶型的布置，而且根据结构户型选择剪力墙的结构设计。为了保证剪力墙满足建筑的要求，需要遵循剪力墙的设计原则，从而保证建筑安全。文中的剪力墙混凝土构件底部加强区以下采用C40，加强区至以上8层采用C35，其余以上各层均采用C30混凝土，梁、柱、墙受力钢筋采用HRB400，梁、柱箍筋及楼面板、屋面板、剪力墙的受力、分布钢筋及其他构造钢筋采用HPB300。梁、板、柱和墙的混凝土保护层厚度分别为30 mm、15 mm、30 mm和15 mm。

3.2.1 以主轴为中心

在剪力墙设计的过程中，需要以剪力墙的主轴作为中心，从而向四周进行延伸。在设计的过程中，需要将各方向的剪力墙连接，保证剪力墙的连续性，从而避免突变。在对剪力墙设计的过程中，需要保证两个方向的剪力墙侧向刚度保持接近；墙肢的结构设计应该简单易行。高层建筑对于剪力墙的要求较高，剪力墙需要以主轴为中心进行扩散，从而保证剪力墙的连续性，为建筑提供安全、可靠的承载作用。

3.2.2 避免剪力墙与外梁搭接

在剪力墙的设计中，因为剪力墙结构的平面外刚度较小，而平面内刚度较大，所以受力时会出现弯矩现象。为了保证剪力墙的安全工作，避免弯矩现象，需要保证剪力墙的独立性，避免与外梁搭接，从而保证剪力墙平面外的搭接安全。

3.3 剪力墙结构设计优化

在剪力墙的设计过程中，需要对剪力墙的结构进行优化设计，从而保证建筑的空间结构，并且符合建筑的荷载要求与抗震要求。在建筑结构设计过程中，沿着主轴方向进行布置，能够保证剪力墙的空间工作性能。设计过程中，为了节约材料，可以适当的利用剪力墙的空间设计，使剪力墙具有一定的侧向刚度与承载能力。为了保证剪力墙的刚度，需要对剪力墙的结构进行优化设计，可以将剪力墙分成几段墙面，墙面之间采用弱连梁结构，保证墙高度与截面高度比例大于2.

4、结论

剪力墙结构体系对于高层住宅具有重要的意义，对于平面结构布置不规则的剪力墙结构设计时，需要保证剪力墙的两个方向的数量均衡，而且确保平面布置简单、规则，竖向布置连续，门窗洞上下对齐布置，而且加大高层住宅核心筒周边剪力墙的数量，提升剪力墙的安全性能与整体刚度。

参考文献：

[1] 刘庆.高层建筑剪力墙结构设计[J].科技资讯，2011，（31）：82-82.

[2] 朱放.剪力墙结构设计在高层建筑中的应用[J]. 城市建设，2010，（13）：281-282.