高层建筑剪力墙结构优化设计研究

【关键词】 剪力墙 高层建筑 结构优化设计 

　　引言 

　　随着房地产和工厂的不断建设，使得节约土地资源提上日程。建筑工程技术不断提高，人们的住宅也逐渐从低层发展到高层建筑。由于高层建筑的特殊性，其建筑技术要求比低层建筑要求要高的多。这就需要对高层住宅中混凝土剪力墙结构设计优化进行调研和探讨。 

　　一、 高层建筑结构的分类 

　　高层建筑按照其使用材料的不同，可分为砌体结构、混凝土结构、钢结构以及钢-混凝土组合结构四类。 

　　1. 砌体结构 

　　砌体材料是一种脆性材料，其抗拉、抗弯、抗剪强度都比较低、抗震能力差等特点，于是高层建筑中很少采用这种无筋砌体结构。若在砌体中配上钢筋，就可改善砌体的受力性能，这样就能在地震区或非地震区的中高层建筑中得到应用。 

　　2. 混凝土结构 

　　混凝土结构具有取材方便、良好的耐火性和耐久性、较大的承载能力，良好的刚度、节约钢材、造价低、良好的可模性以及可浇筑形状复杂的截面等优点，而且经过合理设计的现浇整体式混凝土结构具有良好的抗震性。由于可对混凝土结构灵活布置，组成不同类型的受力结构体系，因此广泛应用于现代高层建筑中。尤其是高层建筑中以混凝土结构为主的我国以及一些发展中国家。 

　　3. 钢结构 

　　钢结构以材料强度高、截面小、自重轻、良好的塑性和韧性、制造工艺简单、施工周期短、良好的抗震性等优点，在高层建筑中也有广泛应用。近些年，随着钢产量的大幅度提高和高层建筑高度的不断增加，对钢结构应用的高层建筑也越来越多。尤其是那些地基条件差或抗震要求高而又较高的高层建筑，就特别合适采用此结构。 

　　4. 钢―混凝土结构 

　　钢―混凝土结构以其钢结构自重轻、截面小、施工快、抗震好等优点以及兼有混凝土结构刚度大、防火性能好以及造价低廉的优点，被认为高层建筑结构中较好的结构形式，在我国得到迅速发展。该结构是将钢材放置在构件内部，在构件的外部由钢筋混凝土做成或在钢管里填充混凝土，然后做成外包构件。 

　　二、 剪力墙结构的设计 

　　（1）对于剪力墙结构的设计，其应沿着主轴方向双向或多向布置。不同方向的剪力墙宜联结在一起，应尽量拉通、对直成为工形、T 形、L 型等有翼缘的墙，形成一定空间结构。抗震设计时，为了使其具有有较好的空间性能，不能单向设置剪力墙。应使两个受力方向的抗侧刚度相近，剪力墙墙肢截面宜简单、规则。为了能充分利用剪力墙结构的能力，在设计时必须减轻墙体结构的自量、加大空间面积、提高剪力墙的承载力和抗侧刚度等。除此之外，剪力墙的布置不能太密，使结构具有适宜的侧向刚度。若侧向刚度过大，不仅加大自重，还会使地震力增大。 

　　（2）剪力墙墙段的要求是需要保持墙体规则、简单，竖向刚度均匀，门窗孔洞需整齐布置、上下对齐，形成一个明确的剪力墙肢和连梁。剪力墙肢和连梁的应力要分布均匀有规则，也必须符合目前常用的设计计算简图。避免剪力墙墙肢上的孔洞刚度差异大。 

　　（3）如果剪力墙较长，应先将其平均分成多个墙体，开挖孔洞，各剪力墙之间的链接部分采用弱连梁连接的方法。但值得注意的是，在进行抗震设计时，应尽量避免开挖孔洞，并且在两个孔洞之间形成墙体肢截面高度与厚度比小于 4 的小墙肢。当墙厚大于小墙肢截面的 1/4 时，需按框架柱设计要求对箍筋进行全高加密。 

　　（4）当剪力墙结构平面内的刚度和承重力较大，而平面外刚度和承载力相对较小。为了保证剪力墙平面外的稳定性，就应控制剪力墙平面外的弯矩。 

　　（5）剪力墙的设置能够影响到结构的抗侧刚度的大小，为避免刚度发生改变，应自下而上连续布置。为了避免墙体刚度发生突变，可沿其高度适当的减少墙体的厚度、降低混凝土强度或者减少一些墙肢等，以使得墙体的侧向刚度随着高度的降低而逐渐减少。但是值得注意的是，若剪力墙沿高度不连续，会对导致剪力墙结构的刚度沿高度而发生突然变化。 

　　（6）对于剪力墙的设计，为确定个剪力墙的厚度，必须满足轴压比、位移比、周期比、抗震等级以及层间位移等各个构造要求，剪力墙高度与厚度比（注：H 为层高或剪力墙无支长度的较小值）。 剪力墙允许高厚比如果剪力墙高度与厚度之比不能满足上表时，可按照《高规》中附录 D 中的方式计算。 

　　三、 结构优化计算 

　　在进行剪力墙结构设计时，根据《高规》或《抗震设计规范》等有关规定，结构布置要合理，比如剪力墙结构设计中它的刚度不能过大。同时在满足楼层最大层间位移和层高之比的基础上，确定楼层最小剪力系数，使计算出的数值最接近规范设定值。控制好高层建筑结构的扭转刚度为主的第一自振周期 Tt 与平动为主的自振周期 T1 之间比值，其A级不能>0.9。在考虑偶然偏心对地震作用影响下，楼层间位移和楼层竖向构件的最大水平位移不能超过该楼层的平均值的 6/5，也不能高于该楼层平均值的 3/2。此外，还应检测剪力墙连梁是否在规定限制范围内、剪力墙的底部加强区的轴压之比是否满足设计规范要求。 

　　1. 调整楼层最小剪力系数的原则 

　　短肢剪力墙承受力应满足的条件是，在地震倾覆力矩的第一振动模式为不超过 40%的前提下，尽量减少剪力墙的设置数量，以有较大的空间的剪力墙布局为目标，使结构具有适当的侧向刚度，最大限度地减少楼层最小剪力系数，使其接近（或不小于）规格限制。以减轻重量，减小地震作用的输入，降低工程造价。 

　　2. 调整层高和楼层最大位移比的原则 

　　根据现有我国高层建筑设计规范规定，在对高层建筑设计时应尽量减少扭曲变形。在增加熟悉构件刚度时要综合考虑，不能只考虑层间位移。而在实际工程设计中，有些设计者当看到层间位移比不能满足设计要求时，就急于增加构件的侧向刚度，但没有注意到这时结构的剪重比。若接近规范限制数值时可行，反之不可行。在剪重比较大的情况下，应减小相应侧的结构刚度，减少地震作用，也可达到较好的效果。 

　　3. 结构侧向刚度和抗扭刚度的调整原则 

　　（1）保证结构平面的规则性，为了减小结构的扭转效应，在计算建筑结构的扭转效应时，必须充分考虑偶然偏心力对结构的影响。 

　　（2）结构扭转自震周期与平动自震周期比的调整原则。 

　　根据众多地震灾害房屋受损情况研究表明，高层建筑结构设计平面不规则、抗扭曲力弱等房屋破坏最为严重。所以在设计时，必须保证建筑的有较强的抗扭曲能力，保证建筑结构的平面规则性。 

　　在实际工程设计中，应将结构竖向构件尽可能沿建筑周边布置，这样即可以提高结构的侧向刚度，同时又能够较大幅度的提高结构的抗扭刚度。若在结构的形心附近加大竖向构件刚度，则对侧向刚度的贡献大而对结构整体的抗扭刚度贡献甚微。 

　　四、 结语 

　　由此可见，对剪力墙的结构进行优化设计，不但能增大其抗侧刚度，还能提高高层建筑的抗震性，有效降低工程造价成本，为建筑市场的布展发展做出突出贡献。 

　　参考文献： 

　　[1]姚琦.高层住宅剪力墙结构的优化控制因素探讨[D].重庆大学，2006. 

　　[2]陈耀.高层建筑剪力墙结构优化设计分析探[J].福建建材，2011. 

　　[3]曹杨，李杰.双连梁短肢剪力墙结构非线性损伤分析[J].同济大学学报，2007. 

　　[4]王月华.七度区高层剪力墙数量优化研究[D].中国石油大学（华东），2006.