高层住宅剪力墙结构设计探析

高层住宅剪力墙结构设计探析

蔺恒辉

江苏浩森建筑设计有限公司  江苏常州  213000

摘要：随着城市化进程的不断推进，高层住宅建设已成为城市发展的重要组成部分。高层建筑在结构设计中面临的最大挑战之一便是抗震性能的保证，而剪力墙结构因其良好的抗侧力性能和刚度，被广泛应用于高层住宅设计中。剪力墙结构不仅可以有效承受地震力，还能满足建筑的使用功能和美观要求。本文旨在探讨高层住宅剪力墙结构设计中的关键问题和解决策略，为工程设计提供理论指导和实践参考。

关键词：高层住宅；剪力墙；结构设计

随着城市化建设的不断推进，城市高层建筑数量迅猛增加。高层住宅建筑因其占地面积小、空间利用率高、居住舒适性强等优点，已成为现代都市住宅开发的重要形式。剪力墙结构作为一种有效的抗侧力结构体系，广泛应用于高层住宅中。其主要优点包括较大的横向刚度和优良的抗震性能，使其能够在地震、风荷载等水平力作用下有效限制建筑物的侧向变形，保证结构的整体稳定性。本文通过个人的实际项目经历，来探析高层住宅剪力墙结构设计过程中遇到的常见问题及解决方法。

一、工程概况

本工程项目名称：南阳市印刷厂区域旧区改造项目（同乐新城）；项目地点：南阳市卧龙区梅溪路以东七一路以南滨河路以北，卧龙区政府西围墙以西。本工程主要建筑功能为住宅，包含3栋高层住宅及地下车库。8#楼做为本次描述的主要内容，概况如下：地上30层，地下2层，地上总高度92.05米，地下总高度9.75米，标准设防类，剪力墙结构，结构嵌固部位为-0.600，框架及剪力墙抗震等级均为二级，筏板基础。

二、高层住宅剪力墙结构设计

（一）剪力墙计算

高层住宅剪力墙结构计算过程是建筑设计中关键的一环，必须严格根据规范进行。在集中荷载作用下，对于无暗柱的剪力墙，应计算局部受压承载力。根据现行规范，双肢剪力墙中的墙肢不宜出现小偏心受拉，否则会导致抗剪承载力不足。在双肢剪力墙中，当任一墙肢为偏心受拉时，另一墙肢的剪力和弯矩设计值需乘以1.25的增大系数，确保整体结构的稳定性和安全性。计算剪力墙时，需涵盖偏心受压、斜截面受剪以及平面外轴心、偏心受拉等工况。使用的软件如三维杆系薄壁柱空间分析方法或空间杆墙组元分析方法，在不同的工程项目中得到了广泛应用[1]。

南阳市印刷厂区域旧区改造项目（同乐新城）8#楼这种规模的剪力墙结构，选择了剪力墙整体输入法，并在墙体上合理开洞，运用三维杆系薄壁柱空间分析方法计算。高度严格依据平面图和电梯井位置定位，确保荷载传递路径清晰、剪力墙受力均匀。在计算过程中，集中荷载下的局部受压承载力，通过编程软件模拟分析得到，确保其抗剪承载力在规范内。例如，剪力墙底部区域承载力设计需满足3850 kN/m²的要求，这个数值通过三维分析得到，验证墙肢在偏心受拉条件下不致产生裂缝，进而避免结构刚度下降。当底部墙肢受拉应力为1.25的设计值时，增加系数有效提高了剪力墙整体承载能力，抗震性能显著增强。

（二）剪力墙开设转角窗

抗震设防烈度为9度的剪力墙结构和B级高度的高层剪力墙结构不应在外墙开设转角窗。抗震设防烈度为7度和8度时，高层剪力墙结构不宜在外墙角部开设转角窗。在实际工程中，抗震设防烈度为7度和8度地区的A类高层剪力墙结构，当建筑方案无法调整必须在外墙角部开设转角窗时，需要采取以下措施保证剪力墙结构的安全和稳定。第一，抗震计算时考虑扭转耦联影响，结构电算过程中，转角梁的负弯矩调幅系数、扭矩折减系数均取1.0，通过有限元软件模拟分析，在地震作用下，转角梁受力情况稳定，扭矩分布合理。第二，转角窗两侧墙肢厚度适当加厚且不小于250mm。第三，提高转角窗两侧墙肢的抗震等级，并按提高后的抗震等级满足轴压比限值的要求。例如，原设计的抗震等级为二级，通过计算分析和结构调整，提高至一级，墙肢轴压比控制在0.50以内，有效增强了其抗震性能。第四，加强转角窗上转角梁的配筋及构造。转角梁选用HRB400钢筋，上部纵筋8根22mm，下部纵筋4根22mm，箍筋直径10mm,间距100mm，扭筋8根16mm,均比计算值有较大提高，确保其受力良好。第五，转角处楼板适当加厚，配筋适当加大并双层双向配筋，两侧墙肢间的楼板增设暗梁。具体设计中，楼板厚度增加至150mm，受力钢筋直径8mm,间距150mm,双层双向配筋；增设500mmX150mm的暗梁，暗梁上部及下部纵筋均为4根12mm,箍筋直径6mm,间距200。第六，转角窗两侧的墙肢沿全高设置约束边缘构件。

（三）洞口布置

在高层住宅剪力墙结构设计中，合理的洞口设计不仅能够优化结构受力路径，还能够有效提升建筑的整体抗震性能。第一，洞口布置需保持截面简单与规则，确保洞口与墙肢、连梁之间的关系明确。例如，北京某高层住宅项目，高度共计28层，建筑高度达到84米。在该项目中，洞口均采用纵横对齐的布置方式，洞口的宽度和高度分别控制在1.2米和2.1米以内，确保墙肢受力均匀，避免了不规则布置可能造成的局部应力集中问题。第二，加强短肢剪力墙构件的设计控制。虽然短肢剪力墙能够在一定程度上提供设计灵活性，且降低了结构自重，但其抗震性能有限，在高层建筑中应慎重使用。在上述案例中，主要采用了常规剪力墙，尽量避免频繁使用短肢剪力墙，仅在部分次要受力区域如设备平台层设置了少量短肢剪力墙，并对这些区域进行了加固处理。第三，洞口布置需考虑整体结构的抗震性能，避免复杂布置造成的结构混乱和稳定性降低。例如南阳市印刷厂区域旧区改造项目（同乐新城）8#楼，其洞口设计均匀分布在各楼层，通过在墙肢和连梁之间形成明确的受力路径，提高整体抗震效果。特别是在转角区域，每个洞口均保持了高度的一致，避免了局部应力过于集中。转角洞口处采用加厚墙体设计，墙厚由普通区域的200mm增至250mm，极大提高了抗震性能。第四，连梁的设计在洞口布置中至关重要

[3]。

（四）连梁设计

在高层住宅剪力墙结构设计中，连梁设计至关重要，对增强结构整体刚度与强度有显著作用。合理设计连梁，不仅能提高剪力墙的刚度，还能增加墙肢之间的连接密度，使结构在地震等横向荷载下更为稳定。第一，大部分高层住宅高度一般在100米以内，例如某30层住宅楼项目中，连梁规格采用300mm x 700mm，混凝土等级为C40。通过此配置，确保连梁在竖向荷载和地震作用下均能保持良好的受力状态。连梁配筋采用HRB400钢筋，上部筋和下部筋配置直径20mm及16mm的钢筋，间距100mm，以保证连梁的抗弯和抗剪能力。第二，在计算连梁刚度时，为了确保整体结构的协调性，须结合具体结构设计参数进行适当折减。假设在某高层住宅项目中，通过有限元分析得出连梁的刚度初值为5000kN·m²，考虑折减后取值为0.70，即3500kN·m²，有效降低了连梁刚度对墙体的过度影响，使得整体剪力墙结构更加协调。在此过程中，需严格控制折减度在0.5到0.7之间，确保连梁刚度调整后的受力状况更加合理。第三，在进行连梁设计时，还需考虑其在不同楼层间的配置[4]。例如，在南阳市印刷厂区域旧区改造项目（同乐新城）8#楼中，低层区域因承受较高的竖向和水平荷载，连梁尺寸和配筋量需适当加大；在高层和次高层区域，连梁尺寸可适当减小，但必须满足基本抗震和承载要求。通过控制连梁规格和配筋差异化设计，能够实现整体结构受力均衡，同时提高建筑的经济性。第四，结构设计过程中，需通过科学的结构分析软件对连梁进行模拟和验算，确保其设计符合抗震规范要求。在北京项目中，利用SAP2000软件进行连梁受力和变形分析，结果显示，折减刚度后的连梁在地震作用下承载力和变形能力均达到规范要求，最大剪力未超过200kN，变形角控制在1/300以内，有效提高了剪力墙结构的整体抗震性能。

（五）对剪压比超限的连梁处理

在高层住宅剪力墙结构设计中，剪压比超限的连梁处理是一个常见且复杂的问题，尤其在高地震烈度区，连梁容易出现超限现象。为解决此问题，需要采取一系列优化措施以确保结构安全与稳定。减小连梁高度通过减小连梁的截面高度，可以减少其吸收的地震力。例如，假设原连梁高度为800mm，通过计算发现其剪压比为1.2，明显超限。将高度降至600mm后再进行计算，虽然剪力有所下降，但若仍然超筋，说明该连梁两侧墙肢过强，吸收地震力过大，调整连梁截面未能彻底解决问题。在上述情况下，调整连梁抗剪设计以确保其能够在地震作用下首先出现塑性铰，是一个有效方法。具体操作步骤如下：首先根据《高规》（JGJ3-2002）中的7.2.23条款对连梁抗剪箍筋进行计算，假设设计最大剪力为450kN，连梁截面为300mm x 600mm，使用HRB400钢筋，箍筋直径为10mm，箍筋间距150mm可满足抗剪要求。接着，根据最大剪力值计算连梁端部弯矩，假设反弯点在连梁中点，弯矩为100kN·m，按一级抗震等级乘以折减系数0.8计算，减小后的弯矩为80kN·m。根据此弯矩值计算连梁宽翼纵筋配置，取直径16mm的钢筋，间距200mm，以保证连梁强剪弱弯的设计原则[5]。通过上述措施，当地震引发的剪力超过设计值时，连梁端部会优先进入塑性状态，吸收地震能量，使其剪力保持在设计范围之内，避免剪切破坏。与此同时，对墙肢的约束作用尽管有所减弱，但基础承载力和耗能能力保持良好。

结语

合理减小连梁高度、调整抗剪设计并采用适当的地震力放大系数，能够显著提高剪力墙结构的整体抗震性能和稳定性。未来的设计中，应结合具体工程实际，灵活应用这些方法，以确保高层建筑在各类荷载作用下的安全可靠，为建筑行业的持续发展提供坚实保障。

参考文献

[1]荀士佐.高层住宅剪力墙结构方案设计及工程应用[J].广东建材,2024,40(04):65-67.

[2]郭雷.某超限高层住宅剪力墙结构抗震分析与设计[J].砖瓦,2024,(03):98-102.

[3]杨力.高层住宅项目中剪力墙结构的设计原则和应用[J].中国建筑金属结构,2023,22(08):130-132.

[4]宗玉霞.某高层住宅剪力墙布置方案对比及结构设计要点探讨[J].甘肃科技纵横,2021,50(08):69-71.

[5]石若利,袁晓蝶,张军.超高层剪力墙结构住宅抗震设计研究[J].城市建筑,2021,18(05):134-136.