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摘要：对高层建筑剪力墙结构的优化设计问题进行研究具有重要的理论和实践意义。本文将高层建筑剪力墙结构的概念设计切入，剖析高层建筑剪力墙结构设计优化的方案选择和其他措施。
关键词：高层建筑；剪力墙结构；层间位移
中图分类号：TU208文献标识码： A
当前，伴随我国各地房地产业的快速发展,很多高层建筑也越来越多。但是有一问题不容忽视，即设计时结构方案选择是否科学将直接关系着高层建筑的安全性。所以，要求我们在进行设计时一定要重视结构方案的选择和优化问题。
一、高层建筑剪力墙结构的概念设计
一幢高层建筑犹如一根竖直放置于嵌固于地基的开孔、带横肋的巨型空间构架式的“悬臂梁”、它不仅要承受“梁”内所有重力荷载的作用并保持稳定，而且要承受风荷载、地震等水平荷载的作用并保持一定的刚度，避免过大的水平位移和振动，保证“梁”内各种建筑装饰、填充墙等不受损坏，以提供“梁”内工作生活的人们有一个舒适的环境、高层建筑结构同时承受垂直和水平荷载，还要抵抗地震作用，在低层结构中，水平荷载产生的内力和位移很小，通常可以忽略；而在高层建筑中，水平荷载和地震作用将成为控制因素、随着建筑高度增加，位移增加最快，弯矩次之、因此高层建筑设计不仅要有较大的承载能力，而且需要较大的抗侧刚度，以保证水平荷载产生的侧向变形控制在一定范围内、)剪力墙结构在水平力作用下侧向变形的特征为弯曲型。剪力墙结构承受竖向荷载及水平荷载的能力都较大、其特点是整体性好，侧向刚度大，水平力作用下侧移小，并且由于没有梁、柱等外露与凸出，便于房间内部布置、缺点是不能提供大空间房屋，结构延性较差。
剪力墙结构由于承受竖向力、水平力的能力均较大，横向刚度大，因此可以建造比框架结构更高、更多层数的建筑、但是只能以小房间为主的房屋，如住宅、宾馆、中一身公寓、而宾馆中需要大空间的门厅、餐厅、商场等往往设置在另外的建筑单元中、为了适用任何方向的水平力(或地震作用)，因此对于矩形平面，剪力墙在纵横双向均应设置；对于圆形平面，剪力墙应沿径向及环向设置；三角形平面，宜沿三个主轴方向设置剪力墙。
二、高层建筑剪力墙结构设计优化的方案选择
剪力墙结构设计的方案有多种选择,选择适宜的结构形式,不仅能保证建筑结构的安全性,而且能大幅度的降低工程造价。在设计方案及初步设计阶段正确地选择建筑的结构体系以及构件的截面及采用的材料,对整个建筑的经济性影响是相当大的。选择较为合适的结构体系,可以在方案阶段总体控制成本。同时由于上部使用功能的差别,构件截面类型也会有差异,从而导致成本差异。因此必须在方案设计阶段确定适宜的结构形式。
层数较小(比如20层以下)的高层住宅,可采用短肢剪力墙结构体系。20层以下的高层住宅采用传统的现浇剪力墙结构,各墙肢轴压比计算值往往较小,墙体配筋为构造配筋,墙体承载能力远远没有发挥出来,工程费用较高,这时若采用短肢剪力墙结构,以上不足之处就可以得到解决。在7度区,20层以下的高层住宅采用短肢剪力墙结构,结构顶点位移、周期、水平地震剪力一般可控制在合理的范围内。采用短肢剪力墙结构,由于合理地将一部分钢筋混凝土墙置换成砖墙或其他砌体,使得结构自重减轻,将偏大的结构刚度降下来,结构地震反应减少,工程费用降低,还增加了结构的延性,使结构的抗震性能提高。
框支剪力墙结构中,上部剪力墙结构可采用短肢剪力墙体系。在框支剪力墙结构中,为了减少上下层的刚度比,不采用加大下层刚度的方法,而采用减少上部剪力墙体系的刚度即改用短肢剪力墙体系,经济效果就十分明显了。
层数较多的高层住宅,最好采用传统的全现浇剪力墙体系。在层数较多的高层建筑中,如采用短肢剪力墙体系,就使结构较柔,结构顶点位移和层间位移就不一定能满足规范要求,底部剪力系数也偏低,结构趋于不安全。但是,在有些情况下若采用传统剪力墙体系,结构刚度计算值还稍偏大时,可将较大的墙肢开设结构洞,或将窗台改为砖或其他砌体等措施加以微调。
三、应用实例分析
本工程位于我国南方某市,住宅小区总建筑面积达10.8万平方米,与本工程类似的住宅楼达10多栋。如果通过对一栋楼进行结构设计分析,找到其中可优化改进的地方,就可使结构设计得到部分的优化、提高建筑产品的性价比、降低单件造价和整个小区的工程造价。进行结构设计分析的住宅楼为地下2层,地上16层。总建筑面积约2万平方米。地下2层为车库和物业办公用房,层高均为3.6 m,首层商业层高3.4 m,2层及2层以上层为住宅,层高为2.8 m。建筑类别为丙类。
剪力墙及墙厚根据规范及工程层数、层高情况取值如下:1层及地下层250 mm(地下层外墙厚300 mm),2层及2层以上外墙200 mm,内墙180 mm。结构整体计算中剪重比较大结构整体布置有继续优化的可能。从节省造价角度考虑,暗柱、连梁等处构件根据计算结构按构造要求配筋(包括局部按计算配筋的),其中墙体分布筋基本与规范最小配筋及其他构造要求相吻合。优化结构设计不只是抽钢筋。一栋建筑方案产生后,结构的选型和布置就存在优化与否的问题。但是,任何建筑体型都可能有最规则的和最经济的结构布置方案。所以,真正的优化应是全过程的需要各专业的密切配合。
四、高层建筑剪力墙结构设计优化其它措施
1、注重转换层结构设计
现代高层建筑的使用功能越来越多样化，多功能的综合大楼，其上部结构、下部结构的使用功能是小同的。因此，其结构布置形式也應该有相应的变化，必须设置转换层结构。高位转换的底部大空间剪力墙结构相当复杂，因此在进行设计时必须要引起重视。山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小宜大，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介的振型数。通过计算仔细分析可能存在的薄弱部位，研究具体的内力分配特点，通过调整内力和构件配筋设计改善薄弱部位的性能。
2、优化连梁设计
对于连梁非抗震及抗震设计，高跨比大于和小于2.5这两种情况，规范在截而受剪承载力以及配筋这两个方而都有明确的要求。塑性调幅可以采取以下两种方法:1）将连梁的刚度在内力计算之前进行折减。2)将连梁的弯矩与剪力的组合值在内力计算之后再乘上一个折减系数。小管是采用哪种方法，应该确保经过调整后连梁的弯矩、剪力设计值小得小于使用阶段实际值，也小得低于设防烈度低一度的地震组合所得的弯矩设计值。防止在正常使用状况下或者较小地震作用下产生裂缝，影响结构安全。另外，还必须要重视连梁的铰接处理。
3、底部加强部位的设计优化
在剪力墙设计时，一般高层剪力墙结构，底部加强部位的高度可取嵌固部位以上墙肢总高度的1/8和底部两层高度二者的较大值；底部带转换层的高层建筑结构，其剪力墙底部加强部位的高度可取框支层加上框支层以上2层的高度及墙肢总高度的1/8二者的较大值。当将地下室顶板视作嵌固部位，在地震作用下的屈服部位将发生在地上楼层，同时将影响到地下1层，此时地下1层的抗震等级小能降低，加强部位的范围应向下延伸到地下1层，并应按规范要求在地下1层设置约束边缘构件。
五、结束语
综上，本文依托具体的工程案例,对高层建筑项目剪力墙设计方案的选定和优化设计问题进行分析, 指出在设计时要根据规范的要求合理布置剪力墙,做到即满足规范的要求又能合理的利用建筑的材料性能。
参考文献：
[1] 喻廷平.高层建筑剪力墙结构优化设计[J].山西建筑.2012(07):105.
[2] 谢向鹏.李献军.高菊芳.试析高层建筑剪力墙结构优化设计[J].中国建筑金属结构.2013(12):34.
[3] 吕瑞孝.姜剑虹.高层建筑剪力墙结构设计需关注的要点[J].科技信息.2011(07):23-25.
关键词：高层建筑；剪力墙结构；层间位移
中图分类号：TU208文献标识码： A
当前，伴随我国各地房地产业的快速发展,很多高层建筑也越来越多。但是有一问题不容忽视，即设计时结构方案选择是否科学将直接关系着高层建筑的安全性。所以，要求我们在进行设计时一定要重视结构方案的选择和优化问题。
一、高层建筑剪力墙结构的概念设计
一幢高层建筑犹如一根竖直放置于嵌固于地基的开孔、带横肋的巨型空间构架式的“悬臂梁”、它不仅要承受“梁”内所有重力荷载的作用并保持稳定，而且要承受风荷载、地震等水平荷载的作用并保持一定的刚度，避免过大的水平位移和振动，保证“梁”内各种建筑装饰、填充墙等不受损坏，以提供“梁”内工作生活的人们有一个舒适的环境、高层建筑结构同时承受垂直和水平荷载，还要抵抗地震作用，在低层结构中，水平荷载产生的内力和位移很小，通常可以忽略；而在高层建筑中，水平荷载和地震作用将成为控制因素、随着建筑高度增加，位移增加最快，弯矩次之、因此高层建筑设计不仅要有较大的承载能力，而且需要较大的抗侧刚度，以保证水平荷载产生的侧向变形控制在一定范围内、)剪力墙结构在水平力作用下侧向变形的特征为弯曲型。剪力墙结构承受竖向荷载及水平荷载的能力都较大、其特点是整体性好，侧向刚度大，水平力作用下侧移小，并且由于没有梁、柱等外露与凸出，便于房间内部布置、缺点是不能提供大空间房屋，结构延性较差。
剪力墙结构由于承受竖向力、水平力的能力均较大，横向刚度大，因此可以建造比框架结构更高、更多层数的建筑、但是只能以小房间为主的房屋，如住宅、宾馆、中一身公寓、而宾馆中需要大空间的门厅、餐厅、商场等往往设置在另外的建筑单元中、为了适用任何方向的水平力(或地震作用)，因此对于矩形平面，剪力墙在纵横双向均应设置；对于圆形平面，剪力墙应沿径向及环向设置；三角形平面，宜沿三个主轴方向设置剪力墙。
二、高层建筑剪力墙结构设计优化的方案选择
剪力墙结构设计的方案有多种选择,选择适宜的结构形式,不仅能保证建筑结构的安全性,而且能大幅度的降低工程造价。在设计方案及初步设计阶段正确地选择建筑的结构体系以及构件的截面及采用的材料,对整个建筑的经济性影响是相当大的。选择较为合适的结构体系,可以在方案阶段总体控制成本。同时由于上部使用功能的差别,构件截面类型也会有差异,从而导致成本差异。因此必须在方案设计阶段确定适宜的结构形式。
层数较小(比如20层以下)的高层住宅,可采用短肢剪力墙结构体系。20层以下的高层住宅采用传统的现浇剪力墙结构,各墙肢轴压比计算值往往较小,墙体配筋为构造配筋,墙体承载能力远远没有发挥出来,工程费用较高,这时若采用短肢剪力墙结构,以上不足之处就可以得到解决。在7度区,20层以下的高层住宅采用短肢剪力墙结构,结构顶点位移、周期、水平地震剪力一般可控制在合理的范围内。采用短肢剪力墙结构,由于合理地将一部分钢筋混凝土墙置换成砖墙或其他砌体,使得结构自重减轻,将偏大的结构刚度降下来,结构地震反应减少,工程费用降低,还增加了结构的延性,使结构的抗震性能提高。
框支剪力墙结构中,上部剪力墙结构可采用短肢剪力墙体系。在框支剪力墙结构中,为了减少上下层的刚度比,不采用加大下层刚度的方法,而采用减少上部剪力墙体系的刚度即改用短肢剪力墙体系,经济效果就十分明显了。
层数较多的高层住宅,最好采用传统的全现浇剪力墙体系。在层数较多的高层建筑中,如采用短肢剪力墙体系,就使结构较柔,结构顶点位移和层间位移就不一定能满足规范要求,底部剪力系数也偏低,结构趋于不安全。但是,在有些情况下若采用传统剪力墙体系,结构刚度计算值还稍偏大时,可将较大的墙肢开设结构洞,或将窗台改为砖或其他砌体等措施加以微调。
三、应用实例分析
本工程位于我国南方某市,住宅小区总建筑面积达10.8万平方米,与本工程类似的住宅楼达10多栋。如果通过对一栋楼进行结构设计分析,找到其中可优化改进的地方,就可使结构设计得到部分的优化、提高建筑产品的性价比、降低单件造价和整个小区的工程造价。进行结构设计分析的住宅楼为地下2层,地上16层。总建筑面积约2万平方米。地下2层为车库和物业办公用房,层高均为3.6 m,首层商业层高3.4 m,2层及2层以上层为住宅,层高为2.8 m。建筑类别为丙类。
剪力墙及墙厚根据规范及工程层数、层高情况取值如下:1层及地下层250 mm(地下层外墙厚300 mm),2层及2层以上外墙200 mm,内墙180 mm。结构整体计算中剪重比较大结构整体布置有继续优化的可能。从节省造价角度考虑,暗柱、连梁等处构件根据计算结构按构造要求配筋(包括局部按计算配筋的),其中墙体分布筋基本与规范最小配筋及其他构造要求相吻合。优化结构设计不只是抽钢筋。一栋建筑方案产生后,结构的选型和布置就存在优化与否的问题。但是,任何建筑体型都可能有最规则的和最经济的结构布置方案。所以,真正的优化应是全过程的需要各专业的密切配合。
四、高层建筑剪力墙结构设计优化其它措施
1、注重转换层结构设计
现代高层建筑的使用功能越来越多样化，多功能的综合大楼，其上部结构、下部结构的使用功能是小同的。因此，其结构布置形式也應该有相应的变化，必须设置转换层结构。高位转换的底部大空间剪力墙结构相当复杂，因此在进行设计时必须要引起重视。山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小宜大，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介的振型数。通过计算仔细分析可能存在的薄弱部位，研究具体的内力分配特点，通过调整内力和构件配筋设计改善薄弱部位的性能。
2、优化连梁设计
对于连梁非抗震及抗震设计，高跨比大于和小于2.5这两种情况，规范在截而受剪承载力以及配筋这两个方而都有明确的要求。塑性调幅可以采取以下两种方法:1）将连梁的刚度在内力计算之前进行折减。2)将连梁的弯矩与剪力的组合值在内力计算之后再乘上一个折减系数。小管是采用哪种方法，应该确保经过调整后连梁的弯矩、剪力设计值小得小于使用阶段实际值，也小得低于设防烈度低一度的地震组合所得的弯矩设计值。防止在正常使用状况下或者较小地震作用下产生裂缝，影响结构安全。另外，还必须要重视连梁的铰接处理。
3、底部加强部位的设计优化
在剪力墙设计时，一般高层剪力墙结构，底部加强部位的高度可取嵌固部位以上墙肢总高度的1/8和底部两层高度二者的较大值；底部带转换层的高层建筑结构，其剪力墙底部加强部位的高度可取框支层加上框支层以上2层的高度及墙肢总高度的1/8二者的较大值。当将地下室顶板视作嵌固部位，在地震作用下的屈服部位将发生在地上楼层，同时将影响到地下1层，此时地下1层的抗震等级小能降低，加强部位的范围应向下延伸到地下1层，并应按规范要求在地下1层设置约束边缘构件。
五、结束语
综上，本文依托具体的工程案例,对高层建筑项目剪力墙设计方案的选定和优化设计问题进行分析, 指出在设计时要根据规范的要求合理布置剪力墙,做到即满足规范的要求又能合理的利用建筑的材料性能。
参考文献：
[1] 喻廷平.高层建筑剪力墙结构优化设计[J].山西建筑.2012(07):105.
[2] 谢向鹏.李献军.高菊芳.试析高层建筑剪力墙结构优化设计[J].中国建筑金属结构.2013(12):34.
[3] 吕瑞孝.姜剑虹.高层建筑剪力墙结构设计需关注的要点[J].科技信息.2011(07):23-25.