如何优化高层建筑中剪力墙结构设计

摘要：根据建筑物的结构特点，列举了几种现浇剪力墙结构形式，并结合现有设计规范和工程经验，相应提出了改进的现浇剪力墙结构形式。

关键词：剪力墙结构；结构形式；优化设计

1.剪力墙结构的优缺点

剪力墙结构刚度大，整体性好，用钢量较省。在居住性建筑中，居室和客房均为小间，分隔墙较多，采用现浇剪力墙结构，可以将承重墙与隔墙合二为一，相对来说比较经济。另外，采用现浇剪力墙结构，室内较框架结构简洁，没有露梁和露柱现象，外形美观，便于室内布置。但是，也有一些缺点：①剪力墙结构的抗侧刚度大，引起较大地震反应，使得上部结构和基础费用增加；②由于混凝土墙体较多，使得建筑物重量增加，这也同样引起较大地震反应，造成浪费；③剪力墙结构中各墙肢轴压比往往较低，使得各墙肢的承载能力得不到充分发挥；④剪力墙结构中墙体多为构造配筋，配筋率较低，使得结构延性较差。

建筑物刚度的大小，历来争议较多．但对于钢筋混凝土结构，通过历次震害表明，刚度较大的结构一般震害较轻．但是，结构刚度不能无限制增大，因为一般情况下，建筑物刚度越大，工程费用越高，对高层建筑，控制这个“度”主要有两个因素，一个是控制结构的水平位移，首先应使结构水平位移满足规范中有关结构水平位移的限值；另一个是控制地震力，因为在地震力计算值偏小的情况下，有时也会出现结构顶点位移满足要求、构件为构造配筋的“安全”假象。所以，只有底部剪力在合理范围内，检查位移、内力及配筋情况才有意义，剪力墙结构的底部剪力系数a ＝底部剪力／结构自重，并控制在表1 所列范围内较合适。

在高层剪力墙结构设计中，既要发挥它具有足够的抗侧能力等优点，又要改进其工程费用较高的缺点，成为这一个关键问题．为此，根据建筑物的高度不同，提出如下几种改进的现浇剪力墙结构形式，并通过控制结构水平位移和底部剪力系数这两个因素来满足设计要求。

2.合理选择剪力墙结构方案

①层数较小（比如18 层以下，特别对于6度区抗震等级为四级）的高层住宅，可采用短肢剪力墙结构体系。

18 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。

短肢剪力墙结构的具体做法是：利用位于建筑平面中部抗侧刚度很大的楼梯

间、电梯间作为一抵抗水平力的抗剪核心筒，这个核心筒由多片剪力墙组成，用以抵抗大部分由风荷载和地震作用引起的水平力。一般情况下，这部分剪力墙不做成短肢剪力墙，当某片剪力墙的长度超过8m 时，中间开一个结构洞，使其成为双肢剪力墙。除核心区外的其它各片剪力墙，视其所处位置不同，将其分割成若干个“L ”型“T ”型“--”型短肢剪力墙。这些短肢剪力墙的墙肢长度一般为4--8bw (其中bw为剪力墙厚度），但尽量避免出现一字形短肢剪力墙，当出现时，应加强墙肢配筋。建筑平面上这部分短肢剪力墙主要承担结构的竖向荷载，各墙肢由连梁连接，协同工作，使整个结构形成一个良好的抗震体系。短肢剪力墙体系是由传统的全剪力墙体系通过开设一定数量的结构洞形成的，若其他专业不需要这些洞口，就在主体结构封顶后，从受力性能上分析，一般仍属大开口剪力墙，仍能保持较好的抗震性能。

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它砌体，使得结构自重减轻，并降低了偏大的结构刚度，结构地震反应减小，工程费用降低，还增加了结构的延性，使得结构的抗震性能提高，此外，墙体的保温性能也有所改善。工程费用的降低主要来自于以下几方面：其一是将一部分钢筋混凝土墙置换成砖墙或其它砌体，由于砖墙比钢筋混凝土墙造价低，因而节省了工程费用、其二是结构自重减轻，使得上部结构构件断面减小，配筋降低，基础费用也下降：其三是结构刚度减少，由水平面力引起的结构反应也减小，大大降低了上部结构和基础的工程费用。

②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。

底部大空间剪力墙结构系指全落地剪力墙和框架支承的剪力墙协同工作的结构体系。这种体系的抗震性能不好，因为上层剪力墙结构抗侧刚度很大，而下层框架--剪力墙刚度较小，结构刚度沿竖向变化悬殊，有时达4--5倍，使得结构在水平力作用下容易产生应力集中和变形集中。

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。改进后保留的短肢墙的数量主要取决于结构刚度的要求，要使结构的顶点位移和层间位移满足规范要求，并使底部剪力系数在合理范围内。

③层数较多（如18 层以上）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。

3.剪力墙连梁超筋问题

在全剪力墙结构中，由于剪力墙数量较多，而且比较分散，各片剪力墙之间

抗侧刚度相差不大，在水平力作用下，每片剪力墙受力较均匀，因此，构成剪力墙的主要构件― 连梁的超筋现象就比较少见。如果出现时，可能是下列原因引起的：①连梁跨高比比较小。②与该连梁连接的剪力墙的墙肢较长。③上下洞口没有对齐。解决第一个问题可采取窗台改为砖砌，连梁中间设一道贯穿缝或加大洞口宽度和高度的方法。解决第二个问题的方法是将较长的墙肢中间开一个结构洞，使之成为连肢墙。解决第三问题的方法是使洞口对齐或计算时先简化为对齐，之后，在设计过程中加强洞口抗震构造措施。在框架剪力墙结构中，剪力墙的数量较少，而大部分水平力均为剪力墙承受，连梁就很容易出现超筋现象。因此，在方案设计阶段就应考虑将剪力墙分散，均匀布置，并将剪力墙布置的片数较多而墙肢较短。

若采取以上措施连梁仍超筋或以上措施不便采用时，还可以采取以下两种补救措施：① 将连梁刚度折减，刚度折减系数不得小于0.55，即在水平力作用下，允许连梁首先开裂，进入弹塑性状态。② 当某层连梁的弯矩超过其最大受弯承载力时，可以降低该层连梁的弯矩受力设计值，并将相邻上、下层的连梁弯矩设计值予以适当提高，以补偿减少的弯矩，满足平衡条件。但降低和提高的幅度，均不得超过调整前弯矩设计值的20 % ,必要时也可以通过提高相邻墙肢的配筋，以满足极限平衡条件。

无论采取以上哪些措施，都应该使调整后的结构在水平力作用下，满足规范规定的结构位移限值，并控制底部剪力系数在合理范围内，不能使结构产生不安全因素。

4.剪力墙暗柱配筋

有边缘构件的抗震墙，与无边缘构件抗震墙比较，受拉区边缘抗拉能力增强，极限承载力提高，极限层间位移角增加，耗能能力增大。此外，边缘构件还增强了墙体平面的稳定性。所以，有抗震要求的剪力墙应设置边缘构件。根据有关规范规定，抗震设计时，http:///
一、二级剪力墙和三级剪力墙的加强部位应设暗柱、翼柱或端柱，横向剪力墙截面端部宜设翼柱。

5.结语

在剪力墙结构设计中，怎样既能让这种体系刚度大，外观简洁等优点发挥出来，又能克服其工程费高等缺点是设计工作的关键。结构设计人员在设计工作中应不断总结，以期更好地掌握这种结构体系的设计方法。

参考文献：

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【2】王晓峰. 框架—剪力墙结构优化设计【J】. 山西建筑, 2007, (04) .

【3】韦海军. 浅谈结构优化设计的思路及方法【J】. 建材与装饰(中旬刊), 2009, (12) .