刍议高层建筑剪力墙结构设计相关要点

【摘要】随着建筑不断的复杂化以及建筑高度的不断提升，剪力墙结构成为了现代建筑结构设计中较为常用的结构类型之一，其被广泛应用在住宅和旅馆建筑结构中。，本文根据笔者多年的高层建筑设计经验，对高层建筑剪力墙体系结构设计进行了探讨。

【关键词】高层建筑；结构设计；剪力墙结构；构造设计

1、剪力墙的特点及分类

剪力墙能较好的抵抗水平荷载。《建筑抗震设计规范》将其称为抗震墙。剪力墙能有效抵抗水平荷载，具有以下主要特点：

（1）抗侧刚度大，侧移小；（2）室内墙面平整；（3）结构自重大，吸收地震能量大；（4）施工较麻烦，造价较高。剪力墙根据是否开洞和开洞大小，可以分为如下四类：

①实体墙：不开洞或开洞面积不大于15%的墙。受力特点：如一个整体的悬臂墙。在整个高度上，弯矩图既不突变，也无反弯点，变形以弯曲型为主。

②整体小开口剪力墙：开洞面积大于15%但仍较小的墙。受力特点：弯矩图在连梁处突变，在整个墙胺高度上没有或仅仅在个别楼层才发生反弯点。

③）双肢或多肢剪力墙：开洞比较大或洞口成列布置的墙。受力特点与整体小开口墙相似。

④壁式框架：洞口尺寸大，连梁线刚度与墙肢线刚度相近的墙。受力特点：弯矩图在楼层处发生突变，而且在大多数楼层中都出现反弯点。

2、高层建筑剪力墙结构设计相关要点

2.1剪力墙结构布置技巧

对于一般剪力墙布置来说，其应当主要沿主轴方向布置，而针对巨型、L形、T形等建筑平面，则可采用沿两个轴线方向布置。在布置剪力墙时，应尽量避免出现只有单向有墙的情况，同时对内外剪力墙采取拉通对直设置。另外还应当满足结构质量中心与刚度中心的重合，避免结构出现过大的扭转。这就要合理充分掌握剪力墙布置间距来体现。剪力墙布置间距适中将有助于发挥剪力墙抗侧力构件作用，而且还可以合理地增大结构的利用空间。对于剪力墙布置间距过少，则会导致结构的侧向刚度过大，造成结构的不经济性。再次，对于剪力墙上难以避免的洞口，鉴于洞口大小、位置以及数量对高层建筑剪力墙的受力影响很大，因此对于剪力墙上的门窗洞口布置应当上下对齐，明确墙肢和连梁的位置，且刚度相差不大，应避免三个以上的洞口集中于同一个十字交叉墙附近。另外，由于剪力墙中的连梁刚度较弱，不宜将楼面主梁支承载在连梁上。

2.2剪力墙中大墙肢处理

剪力墙的结构必须具备延展性，对于呈细高状的剪力墙（高宽比大于2）很容易被设计成弯曲破坏的延性剪力墙，这样一来可以避免受到脆性的剪切破坏。在墙长度较长的情况下，为满足每墙段的高宽比均大于2，可以通过开洞的方式分割长墙为小而均匀的独立墙段。除此以外，在墙段长度较小时其受弯产生的裂缝宽度较小，可以充分发挥墙体配筋的支撑作用。而对于剪力墙结构中，存在较少的长度大于8m的大墙肢，在理论计算中楼层的剪力大部分由这些大墙肢来承受。在发生地震特别是超烈度等强烈震动时，最容易受到破坏的便是这些大墙肢。小墙肢因没有足够的配筋，使整个墙面结构会受到全面破坏。为避免这种不利现象的发生，对于超过8m的墙肢长度，可以采取以下两种处理方法：①开施工洞：开施工洞即在施工时墙内留洞，完工时砌填填充墙，把长墙肢分成短墙肢。②开计算洞：是指在进行结构计算时设有洞，施工时仍为混凝土墙。但通过这样的计算方式，可以加强其它小墙肢的配筋能力。这种方式主要适用于地下室外墙等不易实施开洞的剪力墙。

2.3有效的优化连梁设计

在对连梁抗震性与非抗震性设计时，从高跨比上来分类主要有两种，分别是高跨比大于2.5与小于2.5两种，同时这也对受剪承载力与截面的配筋有着相应的规范要求。因此在对连梁设计时可以采用两种方式。首先是在开始计算内力之前，要先拆减连梁本身的刚度。其次是在计算内力之后，还需要在连梁的弯矩组合与剪力上乘以折减系数。在计算的时候还需要注意的是，无论采取哪种算法，在实际使用时都需要来确定相应的剪力和弯矩设计值，并且这个数值要比调整之后的数值要小。另外，在设计弯矩的时候，也要根据低于预防烈度一度地震组合值来获得，这样就可以保证在正常使用情况下，或者是出现小型地震时，可以有效的预防裂缝，最终保证高层建筑的结构安全。

2.4配筋设计

墙体的配筋率，目前规定在一、二、三级抗震等级的剪力墙中，竖向和水平分布筋的最小配筋率均不应小于0.25%；部分框支剪力墙底部加强部位的配筋率不应小于0.3%；这配筋率比其在80年代前的配筋率：0.07―0.1%要大多了，和国外的配筋率0.1―0.25%的高者基本接轨，这在高层或者较长的剪力墙结构中应该是合理的，但对于低矮、短小的剪力墙值得探讨。墙的水平分布筋是为横向抗剪以防止墙体在斜裂缝出现后发生脆性剪切破坏，同时起抵抗温度应力防止砼出现裂缝，设计中当建筑物较高较长或框剪结构时配筋宜适当增加，特别在连梁部位或温度、刚度变化等敏感部位宜适当增加。但对于矮、短的房屋，其水平筋的配筋率是否适当减小值得探讨。墙的竖向钢筋主要起抗弯作用，目前在一些多层剪力墙中计算结果多为构造配筋；但配筋时所取的配筋率有人往往扣除了约束边缘构件或构造边缘构件中的钢筋，笔者认为竖向最小配筋率，应该包括边缘构件中的钢筋，墙肢的竖向配筋原则也应该尽量将钢筋布置在墙端部边缘区并保证钢筋间距不大于300mm，也应该注意防止竖筋过多使墙的抗弯强度大于抗剪强度，对抗震不利。

2.5注重转换层结构设计

高层建筑功能和形式日益多样化，当多功能综合大楼要求一栋建筑物的上部、中部和下部使用功能不同时，结构布置也要相应改变，要设置转换构件衔接上下结构，传递内力。设置转换构件的楼层称为转换层。因此，对于高位转换的底部大空间剪力墙结构这样的复杂结构应当慎重设计，由于高位转换时刚度和质量较大的转换层升高。调整转换层本身及其上下的刚度比使之接近是必要的，转换层本身的刚度和质量不宜大。最终可通过水平力作用下精确的空间分析检查转换层附近的层间位移角是否基本均匀，宜尽量选用刚度和重量较小的转换层结构形式，计算时应多取参与组合的振型数。

2.6优化设计上下部的结构

（1）减少结构上部的刚度，具体来说就是在实际设计时，在上部结构中尽量的少设置剪力墙结构。而在上部结构符合相应的压轴比后，要尽量的缩短墙肢。

（2）加大结构下部的刚度。在高层建筑满足相应的功能需求后，就可以在较大的空间层之中来设置一定的落地剪力墙结构，但是要均匀的布置，避免集中布置。其次，针对转换层的上下部刚度也要合理的选择。剪力墙转换的刚度如果过大，在实际中就会增加对地震的反映能力以及要提高竖向的刚度要求，但是这样就会增加材料用量，在经济上是不合理的。剪力墙的转换层刚度如果过小，在实际中也很容易出现沉降现象，这样就会在水平结构和上部结构中出现明显的次应力现象，增加配筋的使用量。其中一个最突出的表现就是正交主次转换梁与次梁之间的转换，而此时，就需要来合理的选择截面的尺寸，还要考虑刚度是否达到了相应的设计要求。

3、结语

在高层建筑不断发展的需求下，如何在设计的基础上满足高层建筑的样式创新、功能需求以及结构安全性，追求新的结构形式和更加合理的模型将是未来的目标和方向。因此我们在实际的设计过程中应注重结构设计的每个细节，从而使高层建筑更具合理性和安全性。

参考文献：

[1]龚海秀.剪力墙结构设计的几点体会[J].江西化工，2010，02.

[2]薛云飞，马晓霞.谈剪力墙结构设计中的几个问题[J].陕西建筑，2012，06.

[3]《混凝土结构设计规范》GB50010-2010

[4]《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010