高层建筑剪力墙结构设计的探讨

李冬璇 石铁军

摘要：剪力墙结构具有较好的抗震性能，且结构布置灵活、造价低、经济性好等优点在高层建筑中大量采用，我们要注重各方面的优化设计，使结构在整体上安全合理，保证高层建筑的安全性。本文阐述了剪力墙的类型及其结构形式，对剪力墙结构的优缺点进行了分析，探讨了高层建筑剪力墙结构设计。

关键词：高层；建筑；剪力墙；结构设计

中图分类号： TU318 文献标识码： A 文章编号：

剪力墙结构广泛应用的原因是在受力方面，剪力墙的刚度大，容易满足小震作用下结构，尤其是高层结构的位移限值.在地震作用的破坏下，其变形小，破坏程度低，可以设延性抗震墙，特别是大震时通过连梁和墙肢底部的塑性范围内的塑性变形，耗散地震能量。

一、剪力墙的类型及其结构形式

根据剪力墙开洞率对其自身受力特性的影响，常常把单片剪力墙分为以下几种类型，不同类型的剪力墙，其结构形式也存在着差异。

1、无洞单肢剪力墙，其结构形式如图1 中1-1 和1-2 所示；

2、整体墙和小开口整体墙，其结构形式如图1 中1-3 所示；

3、联肢墙，其结构形式如图1 中1-4 所示；

4、短肢剪力墙，其结构形式如图1 中1-5 所示。

5、此以上四种类型以外，另有开有不规则洞口的剪力墙如错洞剪力墙和叠合错洞墙等等。

图1 剪力墙的类型及其结构形式

二、剪力墙结构的特点

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、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。

三、高层建筑剪力墙结构设计措施

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。

1、避免出现独立小墙肢与剪力墙刚度不宜过大

《高层建筑混凝土结构技术规程》(简称《高规》)中规定：“矩形截面独立墙肢的截面高度不宜小于截面宽度的5 倍。”一旦出现上述情况，对墙肢轴压比、配筋等都有严格的限制，设计施工都比较困难。在实际设计中，独立小墙肢基本上可以通过合并洞口等方法消除，或合理布置剪力墙，使小墙肢成为墙体翼缘，其受力状态明显好于独立小墙肢，仅适当加强配筋即可。同时剪力墙结构应具有足够的延性，细高的剪力墙容易设计成弯曲破坏的延性剪力墙， 从而可避免脆性的剪切破坏。

2、注重转换层结构设计

高层建筑功能和形式日益多样化，当多功能综合大楼要求一栋建筑物的上部(中部)和下部使用功能不同时，结构布置也要相应改变，要设置转换构件衔接上下结构，传递内力，设置转换构件的楼层称为转换层。因此，对于高位转换的底部大空间剪力墙结构这样的复杂结构，应当慎重设计。由于高位转换时刚度和质量较大的转换层升高，调整转换层本身及其上、下的刚度比使之接近是必要的，转换层本身的刚度和质量不宜大，最终可通过水平力作用下精确的空间分析检查转换层附近的层间位移角是否基本均匀。宜尽量选用刚度和重量较小的转换层结构形式，计算时应多取参与组合的振型数。通过计算仔细分析可能存在的薄弱部位，研究具体的内力分配特点，通过调整内力和构件配筋设计改善薄弱部位的性能。

3、 优化连梁设计

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。

4、 底部加强部位的设计

抗震设计时, 一般高层剪力墙结构, 底部加强部位的高度可取底部两层和墙体总高度的1/10二者较大值，部分框支剪力墙结构底部加强部位的高度，可取框支层以上两层的高度及落地抗震墙总高度的1/10二者较大值;带转换层的高层建筑结构, 其剪力墙底部加强部位的高度应从地下室顶板算起，取至转换层以上两层且不宜小于房屋高度的1/10。当将地下室顶板视作嵌固部位, 在地震作用下的屈服部位将发生在地上楼层,同时将影响到地下一层, 此时地下一层的抗震等级不能降低, 加强部位的范围应向下延伸到地下一层, 并应按规范要求在地下一层设置约束边缘构件。

5、剪力墙结构的抗震薄弱环节及概念设计

振动台模拟地震试验结果表明建筑平面外边缘及角点处的墙肢、底部外围的小墙肢、连梁等是剪力墙结构的抗震薄弱环节。当有扭转效应，建筑平面外边缘及角点处的墙肢会首先开裂；在地震作用下，高层剪力墙结构将以整体弯曲变形为主，底部外围的小墙肢，截面面积小且承受较大的竖向荷载，破坏严重，尤其“一”字形小墙肢破坏最严重；在剪力墙结构中，由于墙肢刚度相对减小，使连梁受剪破坏的可能性增加。因此，在剪力墙结构设计中，对这些薄弱环节，更应加强概念设计和抗震构造措施。例如，剪力墙在平面上分布要求均匀，使其钢度中心和建筑物质中心尽量接近，以减小扭转效应；适当增加建筑平面外边缘及角点处的墙肢厚度（宜取250mm，对低部外围的小墙肢根据需要可取用300mm），加强墙肢端部的暗柱配筋，严格控制墙肢截面的轴压比不超过0.6，以提高墙肢的承载力延性，高层结构中连梁是一个耗能构件连梁的剪切破坏会使结构的延性降低，对抗震不利，设计时应注意对连梁进行“强剪弱弯”的验算，保证连梁的受弯屈服先于剪切破坏；剪力墙宜在两个方向均有梁与之拉结，连梁宜布置在各肢的平面内，避免采用“一”字形墙肢；剪力墙底部加强部位的配筋应符合规范要求等。

参考文献：

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