浅谈高层建筑剪力墙结构优化设计陈峻帆

浅谈高层建筑剪力墙结构优化设计陈峻帆

陈峻帆

广东省梅州市梅县建筑设计院有限公司514011

【摘要】剪力墙结构可以从一定程度上提升高层建筑的性能，因此在墙体的结构设计中被广泛应用，对剪力墙结构进行进一步的结构优化设计可以有效提升剪力墙结构的作用，从而保障高层建筑的性能。本文简单介绍了剪力墙结构，并针对一个工程实例进行了剖析，分析了高层建筑剪力墙的优点和缺点，同时提出了优化剪力墙结构的措施。

【关键词】高层建筑；剪力墙；结构优化

剪力墙结构是高层建筑设计中比较常见的墙体设计方式，运用在高层建筑中可以有效提升建筑的性能。但是目前的剪力墙结构还不够完善，在实际应用中往往存在许多弊端，因此需要进一步的优化设计，以便于能在建筑施工中发挥更大的作用。

一、剪力墙结构的概述

剪力墙结构相当于整体建筑中的一个构件，应用与建筑中时要与建筑的整体设计和布局相适应，同时具有一定的防震、防风等作用。剪力墙结构是建筑中的承担荷载的部分，也具有隔离墙的作用，是建筑平面结构中的一部分。剪力墙结构的空间一般比较小，因此通常都用混凝土结构当做盖板，配合剪力墙结构的使用。这样的方式可以有效增加空间的利用率，同时也可以节约楼高。剪力墙结构能够承载一定的建筑压力，并且也具有一定的抗侧性能，这也是其在建筑设计中使用较多的一个原因。但是剪力墙结构不适合大型建筑的设计，因此在设计使用方面也存在很大的局限性，灵活性不足，其结构和尺寸大致如下图：

二、工程实例

（一）工程概况

某小区住宅楼，该建筑物共有十一层，其中包含地下一层和地上十层，第一一层的高度为3.9米，地上一层的高度为4.2米，其他九层分别是3.0米，因此建筑物总高度为31.2米。该建筑的设计长度为44.2米，宽度为12.0米，建筑面积为5011平方米。该建筑物的防震等级为Ⅷ度，现在假设地震组为一组，此时的地震加速度为0.2g，剪力墙的抗震等级为二级，建筑物的安全等级也设置为二级，场地的土壤类别是二类，冻土的最大深度为0.8米，不考虑其他干涉因素，例如土壤的湿度等情况。

（二）剪力墙布置

在对该建筑进行剪力墙的布置的过程中首先应该遵循简单、规则的原则，然后沿着两个方向进行同时的布置，且保证两个方向的剪力墙刚度尽量相似，以免旋转过程中产生不利影响。其次剪力墙的长度也不能太长，如果是比较长的剪力墙就开设一个洞口，方便通过，一般剪力墙的长度不应该超过八米。

剪力墙布置的要求如下：

（1）在楼梯、电梯位置和外墙周围进行剪力墙的布置，要保证剪力墙的门和门，窗和窗以及洞口都是对应的的，能够在一条直线上，否则剪力墙上下传力不均匀或是不连续就会导致其刚度发生改变。

（2）对房间进行剪力墙的布置，剪力墙按照房间的结构进行布置，其布置的形状根据房间布局的形状进行。

（3）确定剪力墙的厚度，一般剪力墙的底部的设置为加强区，高度是地面一层和地面二层，也就是7.2米的高度。本建筑的剪力墙是二级剪力墙，因此根据剪力墙构造的要求，需要选取0.2的厚度。

根据以上分析和要求可以进行第一次剪力墙的具体布置情况，将剪力墙的参数建模数据输入PKPM之中，然后进行计算，可以得出如下结论：

移位比：横向的层间最大位移角为：1/1567，纵向位移角为：1/1005；横向最大位移与层平均位移的比值为：1.02，纵向最大位移与层平均位移的比值为：1.28；横向最大曾间位移与平均层间位移的比值为：1.01，纵向最大层间位移与平均层间位移的比值为：1.32。

周期比：结构依据扭转为主的第一自振周期为：TA=0.9238，结构依据平动为主的第一自振周期为：TB=1.0059。

按照高层建筑建设的规定，A级高度高层建筑的最大位移与层平均位移的比值不能超过1.2，最大层间位移与层间平均位移的比值不能超过1.5，以此以上的数据并不能满足规定的要求。这就说明建筑结构的平面并不规则，质量与刚度产生的偏心力比较大，导致了结构产生的很大的扭转，因此应该调整抗侧力结构的布置，让它能够分布均匀。

横向的位移角为1/1567，而规定的位移角为不超过1/1000，因此是符合要求的，然而该职比规定的数据小太多，这就说明横向的剪力墙布置的比较多，刚度也比较大，应该适当的减少布置的数量或是减少墙体的长度来减少刚度。

进行周期比的计算，其目的是为了遇见比较大的地震时，能够有效控制在房屋结构的扭转效应。从计算结果来看，周期为：0.9238/1.0059=0.91，比规定的0.9要大，因此周期不能满足规定的要求，这就说明外围墙体相较于内围墙体的刚度比较小，不能起到约束结构地震力产生扭曲变形的效果。这也就需要加强结构外围墙或是梁的刚度，适当的削弱结构内墙和连梁的刚度。

轴压比，地下室相交的剪力墙轴压比为1.63和1.62，比规定的0.6也要大，在横向方向，由于受到建筑平面的局限，不能再加大墙肢的长度，以此只能采取加大墙肢厚度的方式。

剪力墙的结构在建筑设计中的布置相对比较灵活，调整的可能性也比较大，因此计算结果也并不相同，剪力墙的布置应该要符合规定的要求，通过对各项数据的计算和分析，得出最优的设计方案。

三、剪力墙结构设计优化措施

（一）优化墙体的配筋设计

对墙体的配筋进行优化设计，首先要进行材料的选择，选择优质的材料的是保障墙体配筋质量的重要因素。钢筋是墙体配筋的重点材料，因此在选择钢筋时要严格进行其质量的监控，要对钢筋的供应渠道，质量进行严格的检测，确保钢筋质量的合格，然后才能允许钢筋进场。另外剪力墙配筋率只要满足最小的配筋率即可，因此，为了进行成本优化，不必将剪力墙的最小厚度定位0.2米，也可以是0.18米或是0.16米。

（二）剪力墙结构连梁的优化设计

在剪力墙的设计中，如果连梁的设计跨高比大于5，它的刚度就不能再减少，然而当刚度不能再减少时，造成的剪力就会过大，在施工中就会增加成本。因此在相关的规定中设置，如果连梁跨比大于5就要按照框架梁的要求进行设计的开展，如果在设计的时候将跨比的高度设计为6，这样就可以有效减少材料的使用量，从而达到节省成本的目的。

（三）层间位移比和最大位移的优化设计

根据高层建筑剪力墙的设计标准，在进行常见地震造成的楼层最大弹性层间位移的核算过程中，一般会将高层变形建筑排除在外，因而不能扣除整个结构的弯矩变形。在高层建筑当中，制止楼层间的剪切变形尤为重要，在设计过程中，垂直构件的数量可以有效控制剪切变形，但是加入构建的布置不合理就会导致产生较大的扭转变形，以此在高层建筑中不能随意增加构件的刚度。

（四）加强剪力墙结构均衡设计

在高层剪力墙的设计中，设计人员需要利用合理的设计保证剪力墙结构的受力均衡，这就对工程的安全性和机构的合理性提出了更高的要求。设计人员要对高层建筑的平面布局进行分析，根据建筑的具体情况进行剪力墙设计的最优化，设计人员需要到施工现场进行现场勘查，保障剪力墙设计符合施工要求。另外还要制定相关的管理条例，防止在施工过程中出现安全问题，加强对剪力墙施工的监督和管理，严格按照图纸进行施工，保障剪力墙质量。

四、结语

剪力墙在增强高层建筑的性能方面有着十分重要的作用，对剪力墙进行优化设计，可以进一步提升高层建筑的抗震能力，可以有效节省建筑成本。因此，在进行建筑设计的过程中，设计者要经过详细的运算、合理的布局，对剪力墙进行更加科学合理的设计，从而保证工程质量更高，建筑更具有实用性。

参考文献：

[1]李朝慧，王培栋.高层建筑剪力墙结构优化设计分析研究[J].房地产导刊，2013（19）：99.

[2]李华波，黄征.浅谈高层建筑剪力墙结构优化设计分析[J].城市建设理论研究，2012（33）：12.

[3]张宝华.浅述框架-剪力墙高层建筑结构优化设计研究[J].新建设：现代物业（上旬刊），2012（08）：82~83.