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摘要：剪力墙结构作为高层建筑中的主要结构形式，被广泛运用于现代高层建筑。剪力墙结构既抵抗侧向力又承受竖向荷载，文章分析了高层建筑剪力墙结构的概念设计对优化设计的重要性，并着重介绍了剪力墙结构的特点及结构布置原则，并对剪力墙结构的设计和计算分析中应注意的问题进行了探讨。
关键词：高层建筑；剪力墙结构；优化设计
随着经济和社会发展的需求，以及城市人口密度的持续增长，高层住宅建筑正逐渐成为城市建筑的发展趋势，也是城市现代化的象征。对剪力墙结构的研究具有重要的理论和实践意义，它能够为高层建筑的抗震性和经济性提供重要的指导。对同一建筑而言，不同的结构墙体布置，其经济指标差异很大，主要是混凝土用量和建筑的钢含量的差距很大。
1 高层建筑剪力墙结构的概念设计
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，水平荷載和地震力的作用将成为高层建筑剪力墙的控制因素。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。在水平地震作用下，高层短肢剪力墙结构主要表现为整体弯曲变形，底部外围的小墙肢承由于竖向荷载较大，破坏严重，特别是一字形小墙肢的破坏最为严重。可增加建筑物周边墙肢长度或连梁高度来消除扭转不规则，从而使结构的抗扭刚度明显增大。为了提高墙肢的承载力和延性，还需加强边缘构件配筋，增大这些部位墙肢纵筋和箍筋的配筋率，严格控制轴压比。
2 剪力墙结构设计方面的优化
1、在剪力墙结构中，剪力墙宜沿主轴方向布置，形成空间结构；抗震设计的剪力墙结构，应避免仅单向布置剪力墙，并宜使两个受力方向的抗侧刚度接近，以使其具有较好的空间工作性能。剪力墙的抗侧刚度及承载力均较大，为充分利用剪力墙的能力，减轻结构重量，增大剪力墙结构的可利用空间，墙不宜布置太密，使其结构具有适宜的侧向刚度。
2、剪力墙墙肢截面宜简单、规则，剪力墙的竖向刚度应均匀，剪力墙的门窗洞口宜上下对齐、成列布置，形成明确的墙肢和连梁，应力分布比较规则，又与当前普遍应用的计算简图较为符合，设计结果安全可靠。宜避免使墙肢刚度相差悬殊的洞口设置，当剪力墙的洞口布置出现错洞、叠合错洞时，墙内配筋应构成框架形式。
3、较长的剪力墙宜开设洞口，将其分成长度较均匀的若干墙段，墙段之间宜采用弱连梁连接，每个独立墙段的总高度与其截面高度之比不应小于2，以避免剪力墙产生脆性的剪切破坏。抗震设计时，应尽量避免在洞口与墙边或在两个洞口之间形成墙肢截面高度与厚度之比小于4的小墙肢。当小墙肢截面的高度小于墙厚的4倍时，应按框架柱设计，箍筋按框架柱加密区要求全高加密。
4、剪力墙的特点是平面内刚度及承重力大，而平面外刚度及承载力都相对很小，应控制剪力墙平面外的弯矩，保证剪力墙平面外的稳定性。当剪力墙墙肢与其平面外方向的楼面梁连接时，应采取足够的措施减少梁端部弯矩对墙的不利影响。
5、剪力墙布置对结构的抗侧刚度有很大影响，剪力墙宜自下到上连续布置，避免刚度突变；允许沿高度改变墙厚和混凝土强度等级，或减少部分墙肢，使侧向高度沿高度逐渐减小。剪力墙沿高度不连续，将造成结构沿高度刚度突变，对结构抗震不利。
6、在进行剪力墙设计时，应通过结构分析，在满足最大层间位移、周期比、位移比的各项指标确定每层剪力墙的厚度时，同时考虑不同抗震等级轴压比的影响及稳定性和相关构造要求。对于普通的住宅建筑在7度和8度地区，墙厚大多数情况下是按稳定和构造要求所控制的。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第7.2.2条和8.2.2条确定的剪力墙允许高厚比见表1。
注：H为层高或剪力墙无支长度的较小值
3 剪力墙结构计算方面的优化
在设计剪力墙结构时，应根据规范要求综合考察结构是否合理，如剪力墙结构的刚度不宜过大，在满足楼层最大层间位移与层高之比满足规范的基础上，以规范规定的楼层最小剪力系数为目标。
1、楼层最小剪力系数的调整原则。在满足短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩不超过40%的前提下，尽可能减少剪力墙的布置，以大开间剪力墙布置方案为目标，使结构具有适宜的侧向刚度，使楼层最小剪力系数接近（不小于）规范限值。这样能够减轻结构自重，有效减小地震作用的输入，同时降低工程造价。
2、剪力墙水平分布筋在边缘构件中的锚固。边缘构件本身是剪力墙的一部分，不能套用一般的梁与柱连接的做法，因为它与剪力墙墙身之间的连接是相同构件之间的连接。剪力墙的水平布筋是按整片墙肢的配置来抵抗水平地震作用产生的剪力的，用剪力墙边缘构件中的箍筋来改善混凝土的受压性能，约束混凝士，使剪力墙在地震作用下具有较好的耗能和延性能力。可以将水平分布筋延伸至墙肢端部，并垂直弯折15d。
3、连梁的配筋。剪力墙的连梁是耗能构件，它的剪切破坏对抗震不利，会使结构的延性降低。设计时要注意对连梁进行“强剪弱弯”的验算，保证连梁的剪切破坏后于弯曲破坏。切忌人为加大连梁的纵筋，如此，可能无法满足“强剪弱弯”的要求。不能认为加大箍筋就能保证“强剪弱弯”。当连梁不满足截面控制条件时，如果盲目增加箍筋，会导致连梁发生剪切破坏先于箍筋充分发挥作用。连梁截面的抗剪计算，对于跨高比大于2.5的连梁，其剪力设计值应乘以增大系数ηvb：一级取1.3，二级取1.2，三级取1.1。剪力墙连梁的截面尚应满足以下要求：
跨高比大于2.5时:v≤(0.2βcfcbbhbc)/rRE
跨高比不大于2.5时：v≤(0.15βcfcbbhbc)/rRE 式中：v為梁端截面组合的剪力设计值：βc一混凝士强度影响系数，《高规》(JGJ3—2002)第6.2.6条的规定采用。
4、结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比（周期比）的调整原则。震害表明，平面不规则、质量与刚度偏心、抗扭刚度太弱的结构，在震中破坏严重。在设计时，要保证结构的抗扭刚度不能太弱：首先要限制结构平面的不规则性，避免产生较大的扭转效应，扭转效应的计算应考虑偶然偏心的影响；其次是限制结构的抗扭刚度不能太弱，具体表现在Tt /T1指标上。在实际工程设计中，应将结构竖向构件尽可能沿周边布置，以提高结构的侧向刚度和抗扭刚度。若在结构的形心附近加大竖向构件刚度，则只是对侧向刚度的贡献大，对抗扭刚度来说，贡献甚微。
5、计算结果的分析、判断
应采用至少两个不同力学模型的结构分析软件对不规则和复杂的建筑结构进行整体内力和位移分析，确定其可靠、合理之后，才可在工程设计中运用。分析时要注意以下几点：非耦联计算地震作用时，剪力墙结构自振周期一般在(0．04～O．08)n范围内(其中n为结构计算总层数)；振型曲线光滑连续，零点位置符合一般规律；耦联计算时，扭转为主的周期应不大于平动为主的周期的0.9或0.85倍。结构布置较正常的剪力墙结构，底部总剪力值应大致在v0=aG的范围内(其中a为合适范围系数，G为结构总重)。对于8度设防抗震区的剪力墙结构，合适范围系数一般为：Ⅱ类土a：(4～8)％；Ⅲ类土a=(6～9)％。对称结构在对称外力作用下，其对称点的内力与位移也应是对称的。竖向刚度、质量变化较均匀的结构，在较均匀外力作用下，其内力及位移等计算结果自上而下不应有大的突变。
4 小结
在剪力墙的结构设计过程中，既要遵循“强墙肢弱连梁、强剪弱弯、限制剪压比、限制轴压比”等原则将其设计成延性结构，还须遵循“设置底部加强部位、设置约束边缘构件、避免小剪跨比”等原则设计延性构件，将延性设计贯穿于工程设计的每一阶段，最终在满足建筑功能的前提下，使建筑物有合理的结构和良好的延性。
参考文献
[1]陈学欣.短肢剪力墙结构设计浅析[J].四川建材,2009(3)
[2]董海棉.高层建筑短肢剪力墙结构设计[J].甘肃科技,2009(10)
[3]范永敏.浅析框架剪力墙结构设计技巧[J].工程建设与设计,2009(5)
[4]吴继成.高层框架剪力墙结构设计[J].建设科技,2010(6)
关键词：高层建筑；剪力墙结构；优化设计
随着经济和社会发展的需求，以及城市人口密度的持续增长，高层住宅建筑正逐渐成为城市建筑的发展趋势，也是城市现代化的象征。对剪力墙结构的研究具有重要的理论和实践意义，它能够为高层建筑的抗震性和经济性提供重要的指导。对同一建筑而言，不同的结构墙体布置，其经济指标差异很大，主要是混凝土用量和建筑的钢含量的差距很大。
1 高层建筑剪力墙结构的概念设计
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，水平荷載和地震力的作用将成为高层建筑剪力墙的控制因素。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。在水平地震作用下，高层短肢剪力墙结构主要表现为整体弯曲变形，底部外围的小墙肢承由于竖向荷载较大，破坏严重，特别是一字形小墙肢的破坏最为严重。可增加建筑物周边墙肢长度或连梁高度来消除扭转不规则，从而使结构的抗扭刚度明显增大。为了提高墙肢的承载力和延性，还需加强边缘构件配筋，增大这些部位墙肢纵筋和箍筋的配筋率，严格控制轴压比。
2 剪力墙结构设计方面的优化
1、在剪力墙结构中，剪力墙宜沿主轴方向布置，形成空间结构；抗震设计的剪力墙结构，应避免仅单向布置剪力墙，并宜使两个受力方向的抗侧刚度接近，以使其具有较好的空间工作性能。剪力墙的抗侧刚度及承载力均较大，为充分利用剪力墙的能力，减轻结构重量，增大剪力墙结构的可利用空间，墙不宜布置太密，使其结构具有适宜的侧向刚度。
2、剪力墙墙肢截面宜简单、规则，剪力墙的竖向刚度应均匀，剪力墙的门窗洞口宜上下对齐、成列布置，形成明确的墙肢和连梁，应力分布比较规则，又与当前普遍应用的计算简图较为符合，设计结果安全可靠。宜避免使墙肢刚度相差悬殊的洞口设置，当剪力墙的洞口布置出现错洞、叠合错洞时，墙内配筋应构成框架形式。
3、较长的剪力墙宜开设洞口，将其分成长度较均匀的若干墙段，墙段之间宜采用弱连梁连接，每个独立墙段的总高度与其截面高度之比不应小于2，以避免剪力墙产生脆性的剪切破坏。抗震设计时，应尽量避免在洞口与墙边或在两个洞口之间形成墙肢截面高度与厚度之比小于4的小墙肢。当小墙肢截面的高度小于墙厚的4倍时，应按框架柱设计，箍筋按框架柱加密区要求全高加密。
4、剪力墙的特点是平面内刚度及承重力大，而平面外刚度及承载力都相对很小，应控制剪力墙平面外的弯矩，保证剪力墙平面外的稳定性。当剪力墙墙肢与其平面外方向的楼面梁连接时，应采取足够的措施减少梁端部弯矩对墙的不利影响。
5、剪力墙布置对结构的抗侧刚度有很大影响，剪力墙宜自下到上连续布置，避免刚度突变；允许沿高度改变墙厚和混凝土强度等级，或减少部分墙肢，使侧向高度沿高度逐渐减小。剪力墙沿高度不连续，将造成结构沿高度刚度突变，对结构抗震不利。
6、在进行剪力墙设计时，应通过结构分析，在满足最大层间位移、周期比、位移比的各项指标确定每层剪力墙的厚度时，同时考虑不同抗震等级轴压比的影响及稳定性和相关构造要求。对于普通的住宅建筑在7度和8度地区，墙厚大多数情况下是按稳定和构造要求所控制的。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第7.2.2条和8.2.2条确定的剪力墙允许高厚比见表1。
注：H为层高或剪力墙无支长度的较小值
3 剪力墙结构计算方面的优化
在设计剪力墙结构时，应根据规范要求综合考察结构是否合理，如剪力墙结构的刚度不宜过大，在满足楼层最大层间位移与层高之比满足规范的基础上，以规范规定的楼层最小剪力系数为目标。
1、楼层最小剪力系数的调整原则。在满足短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩不超过40%的前提下，尽可能减少剪力墙的布置，以大开间剪力墙布置方案为目标，使结构具有适宜的侧向刚度，使楼层最小剪力系数接近（不小于）规范限值。这样能够减轻结构自重，有效减小地震作用的输入，同时降低工程造价。
2、剪力墙水平分布筋在边缘构件中的锚固。边缘构件本身是剪力墙的一部分，不能套用一般的梁与柱连接的做法，因为它与剪力墙墙身之间的连接是相同构件之间的连接。剪力墙的水平布筋是按整片墙肢的配置来抵抗水平地震作用产生的剪力的，用剪力墙边缘构件中的箍筋来改善混凝土的受压性能，约束混凝士，使剪力墙在地震作用下具有较好的耗能和延性能力。可以将水平分布筋延伸至墙肢端部，并垂直弯折15d。
3、连梁的配筋。剪力墙的连梁是耗能构件，它的剪切破坏对抗震不利，会使结构的延性降低。设计时要注意对连梁进行“强剪弱弯”的验算，保证连梁的剪切破坏后于弯曲破坏。切忌人为加大连梁的纵筋，如此，可能无法满足“强剪弱弯”的要求。不能认为加大箍筋就能保证“强剪弱弯”。当连梁不满足截面控制条件时，如果盲目增加箍筋，会导致连梁发生剪切破坏先于箍筋充分发挥作用。连梁截面的抗剪计算，对于跨高比大于2.5的连梁，其剪力设计值应乘以增大系数ηvb：一级取1.3，二级取1.2，三级取1.1。剪力墙连梁的截面尚应满足以下要求：
跨高比大于2.5时:v≤(0.2βcfcbbhbc)/rRE
跨高比不大于2.5时：v≤(0.15βcfcbbhbc)/rRE 式中：v為梁端截面组合的剪力设计值：βc一混凝士强度影响系数，《高规》(JGJ3—2002)第6.2.6条的规定采用。
4、结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比（周期比）的调整原则。震害表明，平面不规则、质量与刚度偏心、抗扭刚度太弱的结构，在震中破坏严重。在设计时，要保证结构的抗扭刚度不能太弱：首先要限制结构平面的不规则性，避免产生较大的扭转效应，扭转效应的计算应考虑偶然偏心的影响；其次是限制结构的抗扭刚度不能太弱，具体表现在Tt /T1指标上。在实际工程设计中，应将结构竖向构件尽可能沿周边布置，以提高结构的侧向刚度和抗扭刚度。若在结构的形心附近加大竖向构件刚度，则只是对侧向刚度的贡献大，对抗扭刚度来说，贡献甚微。
5、计算结果的分析、判断
应采用至少两个不同力学模型的结构分析软件对不规则和复杂的建筑结构进行整体内力和位移分析，确定其可靠、合理之后，才可在工程设计中运用。分析时要注意以下几点：非耦联计算地震作用时，剪力墙结构自振周期一般在(0．04～O．08)n范围内(其中n为结构计算总层数)；振型曲线光滑连续，零点位置符合一般规律；耦联计算时，扭转为主的周期应不大于平动为主的周期的0.9或0.85倍。结构布置较正常的剪力墙结构，底部总剪力值应大致在v0=aG的范围内(其中a为合适范围系数，G为结构总重)。对于8度设防抗震区的剪力墙结构，合适范围系数一般为：Ⅱ类土a：(4～8)％；Ⅲ类土a=(6～9)％。对称结构在对称外力作用下，其对称点的内力与位移也应是对称的。竖向刚度、质量变化较均匀的结构，在较均匀外力作用下，其内力及位移等计算结果自上而下不应有大的突变。
4 小结
在剪力墙的结构设计过程中，既要遵循“强墙肢弱连梁、强剪弱弯、限制剪压比、限制轴压比”等原则将其设计成延性结构，还须遵循“设置底部加强部位、设置约束边缘构件、避免小剪跨比”等原则设计延性构件，将延性设计贯穿于工程设计的每一阶段，最终在满足建筑功能的前提下，使建筑物有合理的结构和良好的延性。
参考文献
[1]陈学欣.短肢剪力墙结构设计浅析[J].四川建材,2009(3)
[2]董海棉.高层建筑短肢剪力墙结构设计[J].甘肃科技,2009(10)
[3]范永敏.浅析框架剪力墙结构设计技巧[J].工程建设与设计,2009(5)
[4]吴继成.高层框架剪力墙结构设计[J].建设科技,2010(6)