浅谈高层建筑剪力墙结构设计

徐林洪

摘要：众所周知，随着我国城市化进程步伐地加快，城市住宅用地日趋紧张，高层建筑也越来越普遍。本文笔者结合多年建筑结构设计经验，首先阐述了高层建筑剪力墙结构分类和分析模型，并对其结构的优缺点分析研究，提出自己在设计中的几点心得体会，仅供参考。

关键词：高层建筑；剪力墙；结构设计

1 剪力墙结构分类和分析模型

按照剪力墙结构的开洞与否和开洞大小，大致可分为：整体小开口剪力墙、多肢或者双肢剪力墙、实体墙或、整截面剪力墙以及壁式框架四类。

剪力墙作为高层建筑中的主要抗侧力构件，承受水平荷载作用及竖向荷载作用。以几何理论来讲，剪力墙可分为开洞剪力墙与不开洞剪力墙两种类型。通用的墙垣主要用于模拟高层结构中的剪力墙，对于尺寸较大或者带洞口的剪力墙，按照子结构的基本思想，通过程序加强对其的细分，以此形成小壳元，再通过对小壳元的刚度矩阵及叠加，通过静力的凝聚原理消去内部自由度，将其刚度凝聚到边界点中，进而保障墙垣的精度及有限的出口自由。

2 剪力墙结构的优缺点分析

2.1 剪力墙结构的优点

剪力墙结构就是通过钢筋混凝土板代替框架结构中梁柱的作用，进而承担各种负荷，并能有效提高结构的水平力，这种以钢筋混凝土墙板来承受竖向及水平力的结构就是剪力墙结构，一般都是钢筋混凝土墙，其高度与宽度能与整个建筑持平。这种剪力墙结构的特点就是其结构的整体性好、刚度大、用钢量少、抵抗侧向变形的能力强、抗震能力强，而合理的剪力墙结构设计能够塑造出良好的变形能力。因此，剪力墙结构的建造高度高于框架结构，在现代高层建筑中，很多房间的分隔墙多，而现浇的剪力墙结构，能够很好的将隔墙与承重墙合二为一，相对来说更加经济。另外，采取先浇剪力墙结构，能够使室内的结构更简洁，外型美观、便于室内布置

2.2 剪力墙结构的缺点

充分认识剪力墙结构的缺点，在结构设计中能有效规避。

（1）由于剪力墙结构的抗侧刚度大，能够带来较大的地震反映，无形中增加了上部结构与基础费。

（2）由于剪力墙结构设计中的砼墙体较多，增加了建筑的重量，同样会引发较大的地震反应，造成浪费。

（3）剪力墙结构中的墙体多是构造配筋，其配筋率相对较低，结构的延展性能差。

（4）剪力墙结构中各墙肢轴压比较低，因此，各墙肢的承载能力无法充分发挥。

（5）由于受到楼板跨度的限制，剪力墙的间距不能过大，因此，建筑平面的设计不够灵活，在公共建筑中的应用仍存在一定难度。

2.3 剪力墙结构设计中的合理性

在高层建筑的剪力墙结构设计中，既要注意发挥这种结构抗侧能力强的优点，又要避免其工程预算较高的缺点。对于建筑物中的钢筋砼结构，显然刚度大的结构在震害中的破坏性较小，但是钢结构必须合理配置而不能随意增大，因为建筑物中的刚度越大，需要支出的费用就越多，应掌握一个合理的“度”。在高层建筑中，合理的设计方式主要体现在两个方面：一方面是控制剪力墙结构的水平位移，使其满足相关规定的限值；另一方面则是对地震力的控制，因为即使地震力计算值处于偏小的水平，也可能出现结构顶点位移满足要求的情况。因此，只有在底部剪力控制合理范围内的前提下，检查建筑物的内力、位移以及配筋情况才真正有意义。

3 剪力墙结构设计的几点心得体会

3.1 布置剪力墙应注意问题

由建筑专业提供的高层建筑平面图，需要仔细的看图、分析数据，以搭模的形式确定哪些墙体是需要钢筋混凝土的剪力墙，哪些墙能做成加气混凝土砌块等轻质墙，哪些墙的开洞大小及位置需要调整。而这些都需要遵循一定的原则而判断。在剪力墙结构中，剪力墙应该沿着主轴的方向或者其它方向进行双向布置；而抗震设计中的剪力墙结构，应该尽量避免单向有墙的布置结构形式。对于一般L型、T型或一般矩形等的平面，应该沿着两个轴线的方向布置，而Y形平面或者三角形则应该沿着三个轴线的方向布置，对于圆形、弧形以及正多边形的平面可以沿着径向或者环向布置。在剪力墙的平面布置中，应尽可能的对称、均匀，尽量保障结构的刚度中心与质量中心结合，以避免扭矩现象，而内外剪力墙则尽量对直、拉通。

剪力墙的墙肢截面应该有规则、简单布置。剪力墙的抗侧力刚度不能过大，为了充分发挥剪力墙结构中的承载能力及抗侧力刚度，以提高剪力墙结构的可利用空间，那么剪力墙的间距就不能过密，而保证结构具备较好的侧向刚度。例如在设计住宅时，高层住宅楼的适应周期应遵循一定的数据选择，而不能小于搭模计算出的周期数字，否则就说明剪力墙过多，就需要在合适的位置尽量开大洞或者直接减少剪力墙的数量，以此适量减小墙的刚度；如果小于搭膜计算出来的周期大于数据，就说明剪力墙过少，应适当增加数量。

3.2 剪力墙墙体的长度与厚度选择

（1）墙体长度的选择。一般剪力墙结构中的墙肢长度小于8m，并且墙体结构应具备一定的延展性，对于高宽比例大于2的墙体，一般应设计成弯曲破坏的延性剪力墙，以此避免脆性剪力墙的破坏；当剪力墙的长度值较大时，应通过开洞的方法来满足剪力墙每个墙段的高宽比大于2，并将洞口的连梁设计成约束矩较小的与若连梁方式类似的，将墙体分成若干个独立的墙段。

（2）剪力墙厚度的选择。在高层建筑结构中，对墙体的厚度有一定的要求，这主要是为了保障剪力墙的稳定性与刚度。对于高层建筑除了6级地震区外剪力墙的抗震等级至少是一级，而住宅结构剪力墙一般厚度为200 cm，而底层加强区内，“一”字形的剪力墙应适当增加厚度。

在剪力墙结构的设计过程中，应严格控制墙肢轴压比、在构造内应适当增加强柱或者配筋等方法来减少墙体的厚度，对于没有地下室的高层建筑来说，由于它的底层墙体基础埋深较大，因此其高度也较高，墙体的厚度如果按照层高的1/16将远超过200 mm，因此在剪力墙结构的设计中，应尽量避免“一”字形的剪力墙而以“L、Z、T”等形状来代替，这样既能提高建筑的抗震性，也能保障墙体厚度。

3.3 剪力墙结构超长的问题

当前很多工程中的伸缩缝间距并不符合规定，这也给设计人员造成设计中常出现超长结构的问题。而对于剪力墙结构超长的问题，应谨慎处理，尽量设置温度伸缩缝，严格遵守规定。首先，剪力墙的结构刚度大，受温度的影响较大，混凝土的收缩与徐变会产生较大的变形，而墙体对屋面、楼面也有较大的约束力，当结构发生收缩变形时，就会更容易出现裂缝。有些没有超长的剪力墙结构也产生了楼面或者墙体的裂缝，就是这个原因。其次，混凝土结构受到徐变或者温度的影响，与很多因素相关。面积较大的剪力墙房屋形状趋于复杂，混凝土的收缩力大，相应的约束力也有所增加，施工工艺与管理就难以控制，这就造成混凝土收缩变形的问题难以从根本上解决，更无法保证在受约束条件下引发的应力不会产生裂缝。再次，当前的市场形势日趋变化，大多工程都要赶工，难以保障质量，而赶工过程中在混凝土中混入水泥用量的问题普遍存在，这就造成混凝土的收缩量增加，再加上混凝土强度的提高，也会造成弹性模量的增多，而引发更多的约束应力，这也给结构出现裂缝形成了铺垫。另外，当前施工中多采用商品混凝土泵送施工的方式，为了泵送，必然增加水泥量，而减少中粗骨科的含量及骨科粒径，加上泵送混凝土配合比与施工送料的不良因素都会造成结构的收缩增加，也会带来裂缝风险。

由此可见，在处理剪力墙的超长结构时，若由于建筑的使用功能要求不允许超长建筑设永久封，应采取对结构施加预应力的方式并采用合理的设计构造给予科学处理。

3.4 剪力墙的连梁设计

一般连梁具有截面大、跨度小的特点。高层建筑在水平力的作用下，连梁的内力通常较大。高层建筑的连肢墙在水平力的作用下，其破坏主要分为脆性破坏及延性破坏。其中连肢墙的脆性破坏也可分为两种情况。一是脆性破坏发生在墙肢部位，由于墙肢的抗剪能力较小而产生剪切破坏现象，这就会造成剪力墙的承载能力日益下降，而结构发生突然坍塌，这也是在设计中应极力避免的问题。在建筑的抗震规定中，要求抗震墙的截面截压比限制及抗震等级，是一、二级时抗震墙底部加强部位的建立设计值的放大系数，这也是为了预防剪力墙在弯曲破坏前而产生的剪切破坏。脆性破坏的第二种情况就是当连梁产生剪切破坏时，造成连肢墙各个墙肢丧失了连梁对墙肢的约束作用。在沿墙全高所有连梁都产生了剪切破坏时，连肢墙的各墙肢就成了单片的独立墙，这就会大大降低结构的侧向刚度，加大墙肢弯矩。但是，第2种情况与第1种墙肢发生剪切破坏的情况相比，当连梁产生剪切破坏时，结构并没有失去承载的能力；而在墙肢破坏之前，只要所考虑的连梁并不承担很大的竖向荷载力，也不会造成结构的倒塌现象。

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