高层剪力墙结构设计探讨

摘要：目前，经济的增长对土地资源的需求越来越大，在我国现有的土地资源中，用于住宅建筑的土地面积只占有很少一部分，这样一来就对城市发展造成了影响。为了解决住宅土地问题，高层建筑兴起，虽然在一定程度上高层住宅建筑缓解了住宅土地紧张的情况，但由于高层住宅建筑的结构要求很高，一旦出现问题，就会发生重大事件，所以对于高层住宅建筑的结构设计要格外慎重，特别是剪力墙结构体系。高层住宅建筑的剪力墙结构体系的设计水平决定了建筑物的经济性能与安全性能，这就要求结构设计人员要根据相关要求和专业知识，优化高层结构体系。

关键词：高层建筑；剪力墙；结构设计

中图分类号：TU318 文献标识码： A

一、剪力墙运用的基本原则

（一）数量控制

剪力墙在结构中整体性较好，具有较大的刚度且水平位移小，可以最大限度的满足结构的性能需求。近些年高层建筑以及住宅都选择了剪力墙结构作为其主要的承载系统。但是在工程中设计人员会按照经验以及实际情况分析选择剪力墙的应用形式和数量等。其中数量选择就成为一个重要的基本原则。设计工程师如果设置过多的剪力墙则会导致其不能充分发挥其真正的作用，反而为成本支出背上不必要的负担。所以对剪力墙的数量选择是工程实践的重要原则之一，选择数量的时候应注意对建立起的自重以及短肢剪力墙的刚度进行分析，控制最小剪力系数，以此控制剪力墙的合理数量。

（二）楼层间剪力控制

剪力墙在设计中应考虑楼层之间的最小剪力系数。在施工中要求降低房屋的自重，且保证建筑的抗震性能。由于短肢剪力墙结构相对于普通剪力墙结构其抗侧刚度相对较小，设计时宜布置适当数量的长墙，或利用电梯，楼梯间形成刚度较大的内筒，以避免设防烈度下结构产生过大的变形，同时也形成两道抗震设防。在基础上对剪力墙进行大开间的处理，让剪力墙的侧向刚度增加。这样才能合理的控制工程的成本支出。

（三）剪力墙连梁超限调整

剪力墙在建筑应用中，其设计的要求是剪力墙跨高比例在一定范围内进行总体规划。如果跨高比小于2.5则容易出现连梁弯矩超过规范的情况，即超限。所以剪力墙在设计中基本应遵照剪力墙结构的连梁跨高比大于2.5的基本原则，但是应注意的是剪力墙的连梁跨高比并不是越大越好。例如：某工程中保证了剪力墙刚度固定的原则，设计时选择剪力墙的连梁跨高比为5～6之间，但是在实际设计计算时发现其剪力或者弯矩都会出现超限的情况。而这样的选择直接导致剪力墙设计出现了不满足实际需求的情况。所采用的克服措施是剪力墙的连梁跨高比超过5的时候，剪力墙就应选择框架梁进行调整，以此满足建筑设计的基本需求。总体看，剪力墙结构的设计应当对剪力墙连梁的超限情况进行充分考虑与调整，一方面保证剪力墙建筑的施工可行性与质量保证；一方面对建筑所支出的投资成本加以控制，达到双赢的效果。

二、对高层建筑中剪力墙结构的应用分析

高层建筑是为了满足现代人生活的重要居住场所，我们在研究中可以把它看成是一种中空的“悬臂梁”，这种结构直接使该建筑在承受自身重量以及载荷的过程中，还需要能够有效的应对外来风力、地震等方面的影响，确保自身的刚度能够承受，避免出现震动或者损坏，确保内部的建筑以及装饰得到良好的保护，为人们的生活提供一个安全的环境。

高层建筑在使用中需要充分考虑其所承载的水平及竖直方向的载荷，不仅如此，由于地震因素的影响，综合考虑抗震因素也是非常重要的，所以有效的控制水平载荷与地震因素的联合影响至关重要。建筑物的高度越高，那么其位移量就越大。所以在进行高层建筑设计的时候，需要将承载能力、抗侧刚度等计算在内，对其进行有效控制。如果建筑物的水平侧向力受力较大，那么剪力墙将会发生弯曲。剪力墙能够有效的承载竖直、水平方向上的载荷，其整体性能出色、具有较大的侧向刚度、在水平作用力的影响下产生的位移相对较小，因此其抗震性能较框架结构更好。

剪力墙是一种能够在竖直、水平方向上具有较大刚度的结构，所以非常适合建造多高层建筑物。不过，这种结构只能够支撑宾馆、公寓等小型房间的支撑。面对建筑中的大型建筑单位，则需要使用其他的建筑结构进行调整。为了能够达到多种环境适应使用的目的，通过对在矩形平面中运用纵横双向的设计结构、在圆形平面中设计环向设计结构等，将能够有效的提高剪力墙的使用价值以及支撑能力。

三、高层建筑剪力墙结构优化设计方案

（一）高层剪力墙结构的抗震优化设计

为了降低地震对建筑物的破坏程度，相关机构分析了我国历史上的地震记录，最后得出结论：地震会对高层剪力墙结构造成严重破坏，原因是高层剪力墙结构的底层刚度与上部刚度存在很大差距，在这种情况下，当地震集中作用于其底层时，底层会发生剧烈的集中的变形。所以，在优化高层剪力墙结构的抗震结构设计时，要把重点放在控制底层刚度与上部刚度的差距上。除此之外，因为不同地区的地震等级不同，所以相应的抗震设计也要结合地区的具体情况而定，尽量做到经济和安全两个方面。

（二）高层剪力墙结构的连梁优化设计

在高层剪力墙结构中，对抗震效果起到决定作用的构件是连梁，其作用原理是通过消耗震能来达到减小破坏力度的目的。若连梁破坏了，其他抗震结构也会受到较大影响，对整个结构体系的寿命来说也起到了至关重要的作用。所以，在高层剪力墙结构的优化设计过程中，要对连梁进行强剪弱弯的验算，并保证连梁的剪切破坏在弯曲破坏之后。在进行人为加大连梁纵筋的工艺，要在能够满足其强剪弱弯的要求的前提下进行。另外一味地加大箍筋不能保证能够达到其强剪弱弯的要求，因为如果连梁不能满足其截面控制条件时，增加箍筋会使连梁在其箍筋充分发挥作用之前就发生剪切破坏。对连梁截面的抗剪进行计算时，要将跨高比超过2.5的连梁的剪力设计值乘以增大系数。

（三）高层剪力墙结构的布置优化

高层剪力墙结构的布置原则是简洁和规则，这样的要求是为了确保结构的质心与刚心重合。其中要特别注意剪力墙的方案布置、墙肢的长短等要均应合理，这样就会使高层剪力墙结构的抗剪刚度相对较大，但如果平面形式比较复杂、布置的墙肢较长，那么会出现受力过于集中、局部刚度过大现象的可能性也会提高，有时只需要布置极少的剪力墙才可以满足上下层的抗侧刚度比限值。综上所述，在剪力墙布置方案上必须要坚持“对称、均匀、周边、分散”原则，并适当布置墙片，墙片平面形式要避免选择“一”字型。此外，剪力墙的最大间距要符合规定，在纵向剪力墙的外纵轴上要布置好开窗洞的剪力墙，以达到增强其横向抗倾覆能力的目的。

（四）剪力墙结构的地基基础设计

对于地基条件较好的高层建筑，其地下室可以采用天然地基或复合地基，具体的方案还要根据建筑物的层数和剪力墙的间距而定。当建筑层数超过十层时，通常会采用梁板式筏形基础比较合理；当建筑层数超过二十层时，通常采用平板式筏形基础较为合理。对于地基条件不好的建筑，其地下室可以采用桩基础。如果是小高层，可以采用独立桩基承台加构造梁板；如果是高层，可以采用沿墙下承台梁布桩加构造底板。

结语

剪力墙结构体系对高层建筑的经济性能和结构安全性能起到了决定性作用，所以结构设计人员不仅要根据相关规定进行设计，还要考虑到当地具体的情况以及建设单位的要求，严格控制相关因素，使高层结构体系达到最优化。