论文部分内容阅读
【摘要】本文笔者对剪力墙设计在高层建筑结构设计中应用进行了探讨，希望对相关从业人员具有借鉴意义。
【关键词】剪力墙设计，高层建筑，结构设计，应用
前言：当高层剪力墙的设计存在缺陷时，将会严重影响到剪力墙结构和整体建筑结构的安全性、稳定性，因此，高层剪力墙结构的优化设计已经成为当今社会关注的焦点。通过分析高层建筑的实际状况，并根据相关的规定对高层剪力结构进行优化设计，不仅能够显著地提高高层剪力墙结构和整个建筑的稳定性，还能够显著地降低工程成本，对促进我国建筑行业的快速发展具有非常重要的作用。
1 剪力墙结构的概念及结构能效
剪力墙结构是建筑的主要承载部分，并且还是承担地震、风等传递水平载荷导致的轴力、剪力以及弯矩等结构构件，同时也是建筑的分隔墙和围护墙，所以在布置剪力墙的过程中，应该满足建筑物的结构布局和平面布局，剪力墙结构的开间相对较小，高层建筑的楼层盖板通常选用现浇的混凝土结构平板，这样，其空间结构的利用率更高，能够有效节约建筑的层高。剪力墙结构的整体性和空间作用都非常好，并且具有很强的承载性能和抗侧力性能，因此，许多高层建筑都采用剪力墙结构。但是，剪力墙结构也具有许多缺点，例如建筑物的布置方案相对固定、不灵活，空间间距有很大的限制，不适合空间较大的建筑，而适用于高层的小空间建筑以及住宅等。
剪力墙的特点是外平面承载力小，内平面承载力大，外平面刚度小，内平面刚度大，因此，当剪力墙和外平面方向的梁连接时，会产生墙肢平面外弯矩，因此，在设计过程中，要尽量避免剪力墙的外平面搭接。在进行剪力墙结构设计时，要尽量沿着主轴的方向进行多向布置，尽可能的将不同方向的剪力墙连接在一起，但要防止出现拉通对直的现象；在进行抗震设计时，要尽量保证两个方向的侧向刚度相同，并且剪力墙结构要尽量简单，防止出现单向有墙的情况，同时要尽量保证各个方向的剪力墙分布均匀，从而充分发挥剪力墙结构的工作性能。
2建筑结构设计中剪力墙结构类型
（1）根据形态可分为：不开洞的整体墙； 有洞口的联肢墙。（2）按高厚比可分为：截面高度与厚度之比大于8时，称为一般剪力墙； 该值为5～8 时，称为短肢剪力墙； 该值小于5时，称为超短肢剪力墙； 该值不大于3时，称为柱形超短肢剪力墙。（3）按剪跨比可分为： 剪跨比大于2的属于一般剪力墙，在水平地震作用下，可以实现延性的弯曲破坏； 剪跨比在2～1 之间的剪力墙，剪切变形较大，一般会出现斜裂缝，通过强剪弱弯设计，可实现有一定延性和耗能能力的弯曲、剪切破坏； 剪跨比小于1的称为矮墙，这类墙体易发生脆性剪切破坏，设计中尽量避免。对于剪跨比小于2的墙肢，可通过设置较大洞口将其分成剪跨比大于2的墙肢。
3剪力墙结构的优化设计
3.1 工程概况
本文以某高层建筑为例，该高层建筑总共 16 层，还有 2层地下室，总建筑面积为 1.075×105m2，地下室主要用于物业办公以及车库，地上首层为商业层，层高为 3.5 m，其余为住宅，层高均为 2.85 m，该高层建筑的建筑类别为丙类。该高层建筑的剪力墙结构的参数表现为：地下层以及 1 层的剪力墙厚度为 250 mm，2 层以及 2 层以上的外墙为 200 mm，内墙为180 mm。原设计方案中，其剪力墙结构在 X 方向的最大层间位移角为 1/2 376，Y 方向的最大位移角为 1/1 623.通过对剪力墙结构进行优化设计之后，剪力墙结构在 X 方向的最大层间位移角降低至 1/1 901，Y 方向的最大位移角降低至 1/1 417，经过优化设计之后，不但提高了高层剪力墙结构以及整体建筑的稳定性，还节约了大量的梁、板、墙等的钢筋以及混凝土的用量，显著地降低了建筑成本，具有非常好的经济性。
3.2 高层剪力墙结构的优化设计
1）高层剪力墙结构方案的优化设计
高层剪力墙结构的设计方案多种多样，在选择高层剪力墙结构方案时，应该选择正确的建筑结构体系以及构件需要的材料。层数低于 20 层时，通常采用短肢剪力墙结构方案。该种结构设计方案的水平地震剪力、周期和位移等都能够被控制在合理的范围内，并采用现浇剪力墙结构，合理地将钢筋混凝土墙置换成砌体或者砖墙，这样不仅能够提高建筑结构的整体刚度，减轻结构的自重，还能够有效降低工程成本。对于层数超过 20 层的建筑，如果采用短肢剪力墙结构方案，结构较软，结构顶点位移以及层间位移就不能够满足相关的设计要求，并且剪力系数较低，影响建筑整体结构的稳定性和安全性，因此，采用全现浇剪力墙结构方案，当结构刚度计算值偏大时，可以在较大的墙肢上增设结构洞，并将窗台改设为砖或者砌体等进行微调，这样能够增加结构的延性，提高剪力墙结构的整体抗震性能。
2）剪力墙结构墙体配筋的优化设计
剪力墙结构墙体配筋的优化设计，首先应该选择质量好的钢筋，并且钢筋材料在进场之前，应该检查其是否具备生产许可证、合格证以及其他相关的证明资料。只有检查合格之后才允许材料进场，剪力墙结构墙体配筋通常要求将竖向钢筋放置在内侧，水平钢筋设置在外侧。由于地下部分墙体配筋相对较多，并且土压力和水压力产生的侧压力相对较大，可以将地下建立墙结构墙体的竖向钢筋设置在外侧，将水平钢筋设置在外侧，配筋满足规范建议以及相应工程计算的最小配筋率即可。
3.3 剪力墙结构连梁的优化设计
《高层建筑混凝土结构技术规范》中明确规定，跨高比超过 5 的连梁应该根据框架梁进行设计，也就是说跨高比超过 5的连梁，其刚度不能折减，但跨高比在 5～6 之间的连梁，如果刚度不折减，就很容易出现剪力超限的问题，并且还会造成工程成本的浪费。
3.4 层间层高比和最大位移的优化设计
在设计的有关依据中有规定，对于在计算多遇地震作用标准值产生的楼层最大的弹性层间位移时，一般情况下是不需要扣除结构整体弯矩变形，还要计入扭转变形来进行计算，当然这并不包括以弯曲变形为主的高层建筑。因此，对于高层建筑来说，重点应该控制楼层间的扭转变形和剪切变形。通过控制竖向构件的数量能够控制剪切变形，单数竖向构件如果布置得不合理，同样会造成较大的扭转变形，因此，在高层建筑中，应该尽可能地降低扭转变形，不能不经过分析就随意增加竖向构件的刚度。
3.5 楼层最小剪力系数的优化设计
在楼层最小剪力系数的优化设计中，当结构总底部地震倾覆力矩其中的短肢建立墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩小于 40%的情况下，应该尽量减少剪力墙，以大开间剪力墙布置方案为目标，使楼层最小剪力系数接近于规范限制。这样不仅能够增大剪力墙结构的侧向刚度，还能够有效降低结构的自重，降低地震作用对建筑的影响和工程成本。
结束语
总之，相关设计人员要充分做好现场施工的勘察分析工作，根据实际的施工情况来制定最终科学合理的剪力墙结构设计方案，加强对剪力墙施工质量的监管力度，建立完善的施工管理体系，注重对施工人员安全意识的培养，使其能够严格按照规范的操作流程进行施工作业，确保建筑物整体的使用质量，从而促进我国建筑行业的蓬勃发展。
参考文献
[1]侯新宁.高层剪力墙结构住宅优化设计[D].太原：太原理工大学，2013（5）.
[2]王艳军.高层建筑剪力墙结构优化设计浅析[J].山西建筑，2010，36（5）.
[3]赵守勇.剪力墙结构设计分析[J].煤炭技术，2012（6）：64-65.
[4]李捍文.剪力墙结构在建筑结构设计中的应用分析[J].科技创新与应用，2012（09）.
【关键词】剪力墙设计，高层建筑，结构设计，应用
前言：当高层剪力墙的设计存在缺陷时，将会严重影响到剪力墙结构和整体建筑结构的安全性、稳定性，因此，高层剪力墙结构的优化设计已经成为当今社会关注的焦点。通过分析高层建筑的实际状况，并根据相关的规定对高层剪力结构进行优化设计，不仅能够显著地提高高层剪力墙结构和整个建筑的稳定性，还能够显著地降低工程成本，对促进我国建筑行业的快速发展具有非常重要的作用。
1 剪力墙结构的概念及结构能效
剪力墙结构是建筑的主要承载部分，并且还是承担地震、风等传递水平载荷导致的轴力、剪力以及弯矩等结构构件，同时也是建筑的分隔墙和围护墙，所以在布置剪力墙的过程中，应该满足建筑物的结构布局和平面布局，剪力墙结构的开间相对较小，高层建筑的楼层盖板通常选用现浇的混凝土结构平板，这样，其空间结构的利用率更高，能够有效节约建筑的层高。剪力墙结构的整体性和空间作用都非常好，并且具有很强的承载性能和抗侧力性能，因此，许多高层建筑都采用剪力墙结构。但是，剪力墙结构也具有许多缺点，例如建筑物的布置方案相对固定、不灵活，空间间距有很大的限制，不适合空间较大的建筑，而适用于高层的小空间建筑以及住宅等。
剪力墙的特点是外平面承载力小，内平面承载力大，外平面刚度小，内平面刚度大，因此，当剪力墙和外平面方向的梁连接时，会产生墙肢平面外弯矩，因此，在设计过程中，要尽量避免剪力墙的外平面搭接。在进行剪力墙结构设计时，要尽量沿着主轴的方向进行多向布置，尽可能的将不同方向的剪力墙连接在一起，但要防止出现拉通对直的现象；在进行抗震设计时，要尽量保证两个方向的侧向刚度相同，并且剪力墙结构要尽量简单，防止出现单向有墙的情况，同时要尽量保证各个方向的剪力墙分布均匀，从而充分发挥剪力墙结构的工作性能。
2建筑结构设计中剪力墙结构类型
（1）根据形态可分为：不开洞的整体墙； 有洞口的联肢墙。（2）按高厚比可分为：截面高度与厚度之比大于8时，称为一般剪力墙； 该值为5～8 时，称为短肢剪力墙； 该值小于5时，称为超短肢剪力墙； 该值不大于3时，称为柱形超短肢剪力墙。（3）按剪跨比可分为： 剪跨比大于2的属于一般剪力墙，在水平地震作用下，可以实现延性的弯曲破坏； 剪跨比在2～1 之间的剪力墙，剪切变形较大，一般会出现斜裂缝，通过强剪弱弯设计，可实现有一定延性和耗能能力的弯曲、剪切破坏； 剪跨比小于1的称为矮墙，这类墙体易发生脆性剪切破坏，设计中尽量避免。对于剪跨比小于2的墙肢，可通过设置较大洞口将其分成剪跨比大于2的墙肢。
3剪力墙结构的优化设计
3.1 工程概况
本文以某高层建筑为例，该高层建筑总共 16 层，还有 2层地下室，总建筑面积为 1.075×105m2，地下室主要用于物业办公以及车库，地上首层为商业层，层高为 3.5 m，其余为住宅，层高均为 2.85 m，该高层建筑的建筑类别为丙类。该高层建筑的剪力墙结构的参数表现为：地下层以及 1 层的剪力墙厚度为 250 mm，2 层以及 2 层以上的外墙为 200 mm，内墙为180 mm。原设计方案中，其剪力墙结构在 X 方向的最大层间位移角为 1/2 376，Y 方向的最大位移角为 1/1 623.通过对剪力墙结构进行优化设计之后，剪力墙结构在 X 方向的最大层间位移角降低至 1/1 901，Y 方向的最大位移角降低至 1/1 417，经过优化设计之后，不但提高了高层剪力墙结构以及整体建筑的稳定性，还节约了大量的梁、板、墙等的钢筋以及混凝土的用量，显著地降低了建筑成本，具有非常好的经济性。
3.2 高层剪力墙结构的优化设计
1）高层剪力墙结构方案的优化设计
高层剪力墙结构的设计方案多种多样，在选择高层剪力墙结构方案时，应该选择正确的建筑结构体系以及构件需要的材料。层数低于 20 层时，通常采用短肢剪力墙结构方案。该种结构设计方案的水平地震剪力、周期和位移等都能够被控制在合理的范围内，并采用现浇剪力墙结构，合理地将钢筋混凝土墙置换成砌体或者砖墙，这样不仅能够提高建筑结构的整体刚度，减轻结构的自重，还能够有效降低工程成本。对于层数超过 20 层的建筑，如果采用短肢剪力墙结构方案，结构较软，结构顶点位移以及层间位移就不能够满足相关的设计要求，并且剪力系数较低，影响建筑整体结构的稳定性和安全性，因此，采用全现浇剪力墙结构方案，当结构刚度计算值偏大时，可以在较大的墙肢上增设结构洞，并将窗台改设为砖或者砌体等进行微调，这样能够增加结构的延性，提高剪力墙结构的整体抗震性能。
2）剪力墙结构墙体配筋的优化设计
剪力墙结构墙体配筋的优化设计，首先应该选择质量好的钢筋，并且钢筋材料在进场之前，应该检查其是否具备生产许可证、合格证以及其他相关的证明资料。只有检查合格之后才允许材料进场，剪力墙结构墙体配筋通常要求将竖向钢筋放置在内侧，水平钢筋设置在外侧。由于地下部分墙体配筋相对较多，并且土压力和水压力产生的侧压力相对较大，可以将地下建立墙结构墙体的竖向钢筋设置在外侧，将水平钢筋设置在外侧，配筋满足规范建议以及相应工程计算的最小配筋率即可。
3.3 剪力墙结构连梁的优化设计
《高层建筑混凝土结构技术规范》中明确规定，跨高比超过 5 的连梁应该根据框架梁进行设计，也就是说跨高比超过 5的连梁，其刚度不能折减，但跨高比在 5～6 之间的连梁，如果刚度不折减，就很容易出现剪力超限的问题，并且还会造成工程成本的浪费。
3.4 层间层高比和最大位移的优化设计
在设计的有关依据中有规定，对于在计算多遇地震作用标准值产生的楼层最大的弹性层间位移时，一般情况下是不需要扣除结构整体弯矩变形，还要计入扭转变形来进行计算，当然这并不包括以弯曲变形为主的高层建筑。因此，对于高层建筑来说，重点应该控制楼层间的扭转变形和剪切变形。通过控制竖向构件的数量能够控制剪切变形，单数竖向构件如果布置得不合理，同样会造成较大的扭转变形，因此，在高层建筑中，应该尽可能地降低扭转变形，不能不经过分析就随意增加竖向构件的刚度。
3.5 楼层最小剪力系数的优化设计
在楼层最小剪力系数的优化设计中，当结构总底部地震倾覆力矩其中的短肢建立墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩小于 40%的情况下，应该尽量减少剪力墙，以大开间剪力墙布置方案为目标，使楼层最小剪力系数接近于规范限制。这样不仅能够增大剪力墙结构的侧向刚度，还能够有效降低结构的自重，降低地震作用对建筑的影响和工程成本。
结束语
总之，相关设计人员要充分做好现场施工的勘察分析工作，根据实际的施工情况来制定最终科学合理的剪力墙结构设计方案，加强对剪力墙施工质量的监管力度，建立完善的施工管理体系，注重对施工人员安全意识的培养，使其能够严格按照规范的操作流程进行施工作业，确保建筑物整体的使用质量，从而促进我国建筑行业的蓬勃发展。
参考文献
[1]侯新宁.高层剪力墙结构住宅优化设计[D].太原：太原理工大学，2013（5）.
[2]王艳军.高层建筑剪力墙结构优化设计浅析[J].山西建筑，2010，36（5）.
[3]赵守勇.剪力墙结构设计分析[J].煤炭技术，2012（6）：64-65.
[4]李捍文.剪力墙结构在建筑结构设计中的应用分析[J].科技创新与应用，2012（09）.