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摘要：随着高层建筑的快速发展，剪力墙结构设计也得到了广泛的应用。剪力墙结构体系在建筑施工中占有相当大的比重，目前，剪力墙结构体系在高层建筑中正在逐渐代替框架结构中的梁柱，剪力墙体系的主要作用是承受建筑物竖直和水平方向的各种荷载引起的内力，对于其他结构的水平力也可以很好地控制。本文阐述了高层建筑剪力墙结构的分类特点及剪力墙结构的合理布置，并通过工程实例对高层住宅剪力墙结构设计进行了探讨。
关键词：高层建筑 剪力墙体系 结构设计 结构布置
中图分类号：TU97 文献标识码：A 文章编号：
1、高层建筑剪力墙结构的分类及其特点
1.1 剪力墙结构的分类
影响剪力墙分类的因素有如下几项： 剪力墙上是否开洞、洞口大小、洞口数量以及洞口位置等。根据以上影响因素， 剪力墙结构可划分为5 类， 分别为： 壁式框架剪力墙、整体小开口剪力墙、整截面剪力墙、独立悬臂剪力墙以及联肢剪力墙。
1.2 各分类的特点
（1） 整截面剪力墙与整体小开口剪力墙： 以上两种形式的剪力墙均属于完整度高的墙体类型， 并具有相近的受力特征， 其形变曲线均为弯曲型。但两者也存在区别：前者由于墙体不挖洞， 整体受力特性一致， 在水平荷载下弯矩不会出现突变以及反弯点，而后者则会出现弯矩突变的情况。
（2） 独立悬臂型剪力墙： 与前两种结构不一样， 该种剪力墙墙面洞口较大， 属于墙肢强、连梁弱的类型。由于连梁极弱， 所以其对墙肢的连接和约束作用很小， 在水平荷载作用下极易发生弯曲，剪力墙刚度低、整体性差。因此，我们在设计时，如果有更好的选择，此种形式的剪力墙尽量少用。
（3） 壁式框架式剪力墙： 跟上一种形式的剪力墙相像， 壁式框架式剪力墙墙面亦开有较大的洞口，连梁的抗弯线刚度与墙肢的抗弯线刚度相当， 但其整体性比独立悬臂型剪力墙好， 值也较独立悬臂型剪力墙高。壁式框架式剪力墙在受到较大水平荷载作用时， 其会出现剪切型的变形， 且出现反弯点， 因此在设计时亦不宜过多使用。
（4）联肢剪力墙介于整体小开口墙和独立悬臂墙之间，连梁对墙肢有一定的约束作用，墙肢局部弯矩较大，整个截面上正应力已不再呈直线分布，变形曲线为弯曲型。
2、剪力墙结构分析模型及方法
剪力墙为多高层结构的主要抗侧力构件，承受水平荷载作用和承受竖向荷载作用。通用墙元用于模拟高层结构中剪力墙的，对尺寸较大剪力墙或带洞口剪力墙，按照子结构基本思想，由程序对其进行细分，形成小壳元，然后计算小壳元的刚度矩阵并叠加，最后用静力凝聚原理将内部自由度消去，将其刚度凝聚到边界节点上，从而保证墙元的精度和有限的出口自由度。
3、剪力墙结构的合理布置
剪力墙结构中，剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置；抗震设计的剪力墙结构，应避免仅单向有墙结构布置形式，使其具有较好的空间工作性能，两个受力方向的抗侧刚度接近。剪力墙墙肢截面宜简单、规则，剪力墙的竖向刚度应均匀，剪力墙门窗洞口宜上下对齐、成列布置，形成明确墙肢和连梁。避免剪力墙脆性破坏。长剪力墙宜开设洞口(用砌体填充)，将其分成长度较均匀的若干墙段,墙段要采用弱梁连接，每个独立墙段总高度与其截面高度之比不应小于2，墙肢截面高度不宜大于5m。剪力墙自下到上连续布置，避免刚度突变。控制剪力墙平面外的弯矩，保证剪力墙平面外的稳定性。
4、工程实例设计分析
4.1 工程概况。
该工程是某小区26层剪力墙住宅楼，总建筑面积约17143.4m2，建筑层高2.9m，建筑总高度76.6m。
4.2 工程设计分析
（1）设计数据。本工程设计基准期50年，抗震设防烈度为6度，地震分组为第二组，设计基本地震加速度为0.05g。本工程建筑场地为1类场地，按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。该工程为A级高度建筑，其结构抗震等级为四级。场地的特征周期=0.305，水平地震影响系数最大值。max=0.04基本风压0.35kN/mz，地面粗糙为C类，风压体形系数、风压高度变化系数及风振系数均按GB50009—2001《建筑结构荷载规范》(2006版)的规定采用，楼面活荷载标准值按荷载规范取值。
（2）结构平面布置。结构平面布置考虑有利于抵抗水平和竖向荷载，受力明确，传力直接，尽量均匀对称，减少扭转影响，建筑平面力求简单规则，以减少震害。一般情况下在层数较多(20层以上)的高层建筑中常采用传统的全现浇剪力墙体系。因为如采用短肢剪力墙体系，就使得结构较柔，结构顶点位移和层间位移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。
（3）结构竖向布置。结构竖向布置方面，该项目高宽为5，符合抗震规范剪力墙结构6度设防小于6的要求。在抗震设计中要求结构承载力和刚度宜自下而上逐渐减小，变化均匀、连续，不要突变。该工程平面在竖向上没有大的内收外挑情况，平面从底至顶一致。竖向刚度的变化主要表现在分段改变构件截面尺寸和混凝土强度等级，从施工方便来说，改变次数不宜太多；但从结构受力角度来看改变次数太少，每次变化太大又容易产生刚度的突变。
4.3 设计内容及结果
（1）最大地震力作用方向。最大地震力作用方向是指地震沿着不同方向作用，结构地震反映的大小也各不相同，那么必然存在某个角度使得结构地震反应值最大的最不利地震作用方向。设计软件可以自动计算出最大地震力作用方向并在计算机中输出，设计人员如发现该角度绝对值大于15度，应将该数值回填到软件的“水平力与整体坐标夹角”选项里并重新计算，以体现最不利地震作用方向的影响。
（2）结构基本周期。结构基本周期是计算风荷载的重要指标。设计人员如果不能事先知道其准确值，可以保留软件的缺省值，待计算后从计算书中读取其值，填入软件的“结构基本周期”选项，重新计算即可。
（3）周期折减系数。周期折减的目的是为了充分考虑框架结构或剪力墙结构中的填充砖墙刚度对计算周期的影响。由于填充墙作用，在早期弹性阶段结构会有很大刚度，因此会吸收很大地震力，当地震力加大时，填充墙首先破坏，刚度大大减弱。周期折减系数不改变结构自震特性，只改变地震影响系数。周期折减系数取值，与结构中非承重墙体材料性质、多寡、构造方式有关，应由设计人员根据实际情况确定，可取0.75～1.0。
（4）框架梁刚度放大系数。对于现浇楼板，在采用刚性楼板假定时，楼板作为梁的一部分，在分析中可用此系数来考虑楼板对梁刚度贡献。梁刚度增大系数BK 可在1.0～2.0范围内取值。程序自动搜索中梁和边梁，两侧均与刚性楼板相连的中梁的刚度放大系数为BK，只有一侧与刚性楼板相连的中梁或边梁的刚度放大系数为(1+BK)/2，其他情况的梁刚度不放大。本工程取BK=2。
（5）计算结果。第一，动力性能方面。通过刚度减少,方案一的第一平动周期由TI=1.414％变为方案Z、TI=I.9572s，影响十分显著。平动周期数与扭转周期数量变化不大，方案一第一扭转周期值与第一平动周期的比值分别为0.797，方案二为0.699，均符合规范要求。可见方案二通过在剪力墙上开设结构洞或增大原有洞口，使结构刚度减小，从而增长了周期,使结构变“柔”。但扭转效应减小，说明结构布置更加合理。第二，结构变形方面。两方案的结构变形指标均符合规范要求。按六度设防计算时方案一最大层间位移角才1/4270，方案二最大层间位移角1/2782，较方案一有较大改进。但最大变形均发生在风载作用时，说明六度区的风荷载对高层建筑的影响已经超过地震荷载，设计时应将风荷载作为首要影响因素。但在较高烈度区时，随着地震烈度的提高，剪力墙所受的地震作用不断增大。地震荷载超越风荷载成为主要影响因素，其中层间位移比成为主要控制指标。第三，结构内力方面。方案二的基底弯矩值和剪力值均小于方案一的数值。因此减小结构刚度，增长周期，使地震影响系数减小，可有效减少地震力。同时，单从两方案的轴压比来看，剪力墻的数量还可进一步减少以充分发挥混凝土材料的性能，提高建筑物的经济性。
4、结束语
随着城市高层建筑面积的增多，剪力墙结构已经成为高层住宅采用最为广泛的一种结构形式，剪力墙结构因其抗侧刚度大，能有效地减少侧移，且具有较好的抗震性能，因而被广泛应用于多层和高层钢筋混凝土建筑中。所以，掌握好剪力墙结构受力特点，把握好剪力墙结构设计的基本原则，建筑的结构设计水平才能向高效率、高水平的方向发展。
参考文献
[1]苏绍坚.住宅楼剪力墙结构设计分析[J].核工程研究与设计，2007，01．
[2]王法武.高层框架及剪力墙结构的侧移优化设计[J].工业建筑，2006，6.
[3]李国胜.多高层钢筋混凝结构设计中疑难问题的处理及算例[M].北京:中国建筑工业出版社，2004.
[4]于群.小高层住宅中短肢剪力墙结构的设计应用[J].中国科技信息，2005.
关键词：高层建筑 剪力墙体系 结构设计 结构布置
中图分类号：TU97 文献标识码：A 文章编号：
1、高层建筑剪力墙结构的分类及其特点
1.1 剪力墙结构的分类
影响剪力墙分类的因素有如下几项： 剪力墙上是否开洞、洞口大小、洞口数量以及洞口位置等。根据以上影响因素， 剪力墙结构可划分为5 类， 分别为： 壁式框架剪力墙、整体小开口剪力墙、整截面剪力墙、独立悬臂剪力墙以及联肢剪力墙。
1.2 各分类的特点
（1） 整截面剪力墙与整体小开口剪力墙： 以上两种形式的剪力墙均属于完整度高的墙体类型， 并具有相近的受力特征， 其形变曲线均为弯曲型。但两者也存在区别：前者由于墙体不挖洞， 整体受力特性一致， 在水平荷载下弯矩不会出现突变以及反弯点，而后者则会出现弯矩突变的情况。
（2） 独立悬臂型剪力墙： 与前两种结构不一样， 该种剪力墙墙面洞口较大， 属于墙肢强、连梁弱的类型。由于连梁极弱， 所以其对墙肢的连接和约束作用很小， 在水平荷载作用下极易发生弯曲，剪力墙刚度低、整体性差。因此，我们在设计时，如果有更好的选择，此种形式的剪力墙尽量少用。
（3） 壁式框架式剪力墙： 跟上一种形式的剪力墙相像， 壁式框架式剪力墙墙面亦开有较大的洞口，连梁的抗弯线刚度与墙肢的抗弯线刚度相当， 但其整体性比独立悬臂型剪力墙好， 值也较独立悬臂型剪力墙高。壁式框架式剪力墙在受到较大水平荷载作用时， 其会出现剪切型的变形， 且出现反弯点， 因此在设计时亦不宜过多使用。
（4）联肢剪力墙介于整体小开口墙和独立悬臂墙之间，连梁对墙肢有一定的约束作用，墙肢局部弯矩较大，整个截面上正应力已不再呈直线分布，变形曲线为弯曲型。
2、剪力墙结构分析模型及方法
剪力墙为多高层结构的主要抗侧力构件，承受水平荷载作用和承受竖向荷载作用。通用墙元用于模拟高层结构中剪力墙的，对尺寸较大剪力墙或带洞口剪力墙，按照子结构基本思想，由程序对其进行细分，形成小壳元，然后计算小壳元的刚度矩阵并叠加，最后用静力凝聚原理将内部自由度消去，将其刚度凝聚到边界节点上，从而保证墙元的精度和有限的出口自由度。
3、剪力墙结构的合理布置
剪力墙结构中，剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置；抗震设计的剪力墙结构，应避免仅单向有墙结构布置形式，使其具有较好的空间工作性能，两个受力方向的抗侧刚度接近。剪力墙墙肢截面宜简单、规则，剪力墙的竖向刚度应均匀，剪力墙门窗洞口宜上下对齐、成列布置，形成明确墙肢和连梁。避免剪力墙脆性破坏。长剪力墙宜开设洞口(用砌体填充)，将其分成长度较均匀的若干墙段,墙段要采用弱梁连接，每个独立墙段总高度与其截面高度之比不应小于2，墙肢截面高度不宜大于5m。剪力墙自下到上连续布置，避免刚度突变。控制剪力墙平面外的弯矩，保证剪力墙平面外的稳定性。
4、工程实例设计分析
4.1 工程概况。
该工程是某小区26层剪力墙住宅楼，总建筑面积约17143.4m2，建筑层高2.9m，建筑总高度76.6m。
4.2 工程设计分析
（1）设计数据。本工程设计基准期50年，抗震设防烈度为6度，地震分组为第二组，设计基本地震加速度为0.05g。本工程建筑场地为1类场地，按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。该工程为A级高度建筑，其结构抗震等级为四级。场地的特征周期=0.305，水平地震影响系数最大值。max=0.04基本风压0.35kN/mz，地面粗糙为C类，风压体形系数、风压高度变化系数及风振系数均按GB50009—2001《建筑结构荷载规范》(2006版)的规定采用，楼面活荷载标准值按荷载规范取值。
（2）结构平面布置。结构平面布置考虑有利于抵抗水平和竖向荷载，受力明确，传力直接，尽量均匀对称，减少扭转影响，建筑平面力求简单规则，以减少震害。一般情况下在层数较多(20层以上)的高层建筑中常采用传统的全现浇剪力墙体系。因为如采用短肢剪力墙体系，就使得结构较柔，结构顶点位移和层间位移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。
（3）结构竖向布置。结构竖向布置方面，该项目高宽为5，符合抗震规范剪力墙结构6度设防小于6的要求。在抗震设计中要求结构承载力和刚度宜自下而上逐渐减小，变化均匀、连续，不要突变。该工程平面在竖向上没有大的内收外挑情况，平面从底至顶一致。竖向刚度的变化主要表现在分段改变构件截面尺寸和混凝土强度等级，从施工方便来说，改变次数不宜太多；但从结构受力角度来看改变次数太少，每次变化太大又容易产生刚度的突变。
4.3 设计内容及结果
（1）最大地震力作用方向。最大地震力作用方向是指地震沿着不同方向作用，结构地震反映的大小也各不相同，那么必然存在某个角度使得结构地震反应值最大的最不利地震作用方向。设计软件可以自动计算出最大地震力作用方向并在计算机中输出，设计人员如发现该角度绝对值大于15度，应将该数值回填到软件的“水平力与整体坐标夹角”选项里并重新计算，以体现最不利地震作用方向的影响。
（2）结构基本周期。结构基本周期是计算风荷载的重要指标。设计人员如果不能事先知道其准确值，可以保留软件的缺省值，待计算后从计算书中读取其值，填入软件的“结构基本周期”选项，重新计算即可。
（3）周期折减系数。周期折减的目的是为了充分考虑框架结构或剪力墙结构中的填充砖墙刚度对计算周期的影响。由于填充墙作用，在早期弹性阶段结构会有很大刚度，因此会吸收很大地震力，当地震力加大时，填充墙首先破坏，刚度大大减弱。周期折减系数不改变结构自震特性，只改变地震影响系数。周期折减系数取值，与结构中非承重墙体材料性质、多寡、构造方式有关，应由设计人员根据实际情况确定，可取0.75～1.0。
（4）框架梁刚度放大系数。对于现浇楼板，在采用刚性楼板假定时，楼板作为梁的一部分，在分析中可用此系数来考虑楼板对梁刚度贡献。梁刚度增大系数BK 可在1.0～2.0范围内取值。程序自动搜索中梁和边梁，两侧均与刚性楼板相连的中梁的刚度放大系数为BK，只有一侧与刚性楼板相连的中梁或边梁的刚度放大系数为(1+BK)/2，其他情况的梁刚度不放大。本工程取BK=2。
（5）计算结果。第一，动力性能方面。通过刚度减少,方案一的第一平动周期由TI=1.414％变为方案Z、TI=I.9572s，影响十分显著。平动周期数与扭转周期数量变化不大，方案一第一扭转周期值与第一平动周期的比值分别为0.797，方案二为0.699，均符合规范要求。可见方案二通过在剪力墙上开设结构洞或增大原有洞口，使结构刚度减小，从而增长了周期,使结构变“柔”。但扭转效应减小，说明结构布置更加合理。第二，结构变形方面。两方案的结构变形指标均符合规范要求。按六度设防计算时方案一最大层间位移角才1/4270，方案二最大层间位移角1/2782，较方案一有较大改进。但最大变形均发生在风载作用时，说明六度区的风荷载对高层建筑的影响已经超过地震荷载，设计时应将风荷载作为首要影响因素。但在较高烈度区时，随着地震烈度的提高，剪力墙所受的地震作用不断增大。地震荷载超越风荷载成为主要影响因素，其中层间位移比成为主要控制指标。第三，结构内力方面。方案二的基底弯矩值和剪力值均小于方案一的数值。因此减小结构刚度，增长周期，使地震影响系数减小，可有效减少地震力。同时，单从两方案的轴压比来看，剪力墻的数量还可进一步减少以充分发挥混凝土材料的性能，提高建筑物的经济性。
4、结束语
随着城市高层建筑面积的增多，剪力墙结构已经成为高层住宅采用最为广泛的一种结构形式，剪力墙结构因其抗侧刚度大，能有效地减少侧移，且具有较好的抗震性能，因而被广泛应用于多层和高层钢筋混凝土建筑中。所以，掌握好剪力墙结构受力特点，把握好剪力墙结构设计的基本原则，建筑的结构设计水平才能向高效率、高水平的方向发展。
参考文献
[1]苏绍坚.住宅楼剪力墙结构设计分析[J].核工程研究与设计，2007，01．
[2]王法武.高层框架及剪力墙结构的侧移优化设计[J].工业建筑，2006，6.
[3]李国胜.多高层钢筋混凝结构设计中疑难问题的处理及算例[M].北京:中国建筑工业出版社，2004.
[4]于群.小高层住宅中短肢剪力墙结构的设计应用[J].中国科技信息，2005.