高层建筑剪力墙结构的优化设计

本文结合高层建筑的的结构设计，论述了高层建筑剪力墙结构的概念设计，提出了剪力墙结构设计和计算的优化方法，结合工程实例，分析了剪力墙结构优化设计方法的应用。

在经济建设不断发展的过程中，人们的生活需求不断变化，基础设施建设的规模逐渐扩大，高层和超高层建筑业随之诞生，很大程度上反应出国家建筑科技和经济发展水平的提高[1]。人口密度不断增长的过程中，高层建筑成为当今城市建设的主要趋势，也代表着城市现代化水平。为了提高高层建筑的抗震性和经济性，国内众多学者开展了对剪力墙结构的研究。针对同一建筑，经济指标的差异会由于结构墙体布置的不同而不同，主要影响因素为混凝土用量和钢材量。

1高层建筑剪力墙结构的概念设计

高层建筑需要保持较高的稳定性，在承受梁内所有重力载荷的同时，必须要承受外界风力和地震的影响，避免出现过大的振动和水平位移，保证建筑内的装饰和填充墙等完好无损，为居住者提供舒适安全的环境。高层建筑结构同时承受水平和垂直载荷，在低层结构中，水平位置的载荷较小，通常情况下可以忽略不计。在高层结构中，水平位置的载荷和地震都会对建筑造成影响，成为共同的控制因素。在建筑物高度不断增加的同时，水平载荷的位移也将发生变化，因此在高层在高层建筑设计的过程中，必须综合考虑建筑的承载能力和抗侧刚度，对水平位置的载荷进行有效控制。

在水平力作用下，剪力墙结构会出现侧向变形。剪力墙结构在垂直方向上可以承受较大的载荷，在水平方向上也可以承受较大的载荷，整体性较高，侧向刚度较大，在水平力作用下，发生的位移较小，在不采用梁柱等外凸装置的情况下，提高了房内布局的合理性，但是无法提供更大的住宅空间，结构延性存在一定的缺陷。建筑物的地下室有多层时，需要采用部分框支剪力墙结构，设置科学的过渡层，保证框架-剪力墙结构向剪力墙结构良好过渡。剪力墙结构在水平方向和垂直方向上承受的载荷均较大，可以广泛应用于高层建筑，主要应用于以小房间为主的住宅，例如宾馆、公寓等。宾馆中需要较大的空间时，将其设置在另外的建筑单元中。为了满足不同方向水平力的要求，针对矩形平面，往往将剪力墙设置在纵横两个方向上，针对圆形平面，剪力墙设置在沿径向位置和环向位置上，针对三角形平面，剪力墙结构沿三个主轴方向设置[2]。

2剪力墙结构设计和计算的优化方法

2.1结构设计的优化

剪力墙结构中的空间结构，一般沿主轴方向形成双向布置，如果剪力墙有抗震需求，需要保证多个方向的布置，使多个方向上的抗侧刚度相同，提高建筑物的空间工作性能。剪力墙具有较高的抗侧刚度和承载力，为了充分发挥剪力墙结构的性能，减轻结构重量，需要结合具体建筑增大剪力墙结构的可利用空间，合理控制墙体的布置密度，保证墙体结构具有良好的侧向刚度。在设计剪力墙墙肢截面的过程中，应秉持一定的规则，竖向刚度保持均匀，剪力墙结构的门窗洞口上下对其，在垂直方向上成列布置，保证墙肢和连梁的准确性，另外，需要提高应力分布的均匀性，结合设计图纸，提高设计的安全性和可靠性。在设计过程中，保证墙肢刚度相同，如果剪力墙结构的洞口出现错?或者叠合的情况，必须将墙内配筋设置成框架形式[3]。

如果剪力墙结构的长度较长，必须开设合适的洞口，将剪力墙分割成长度均匀的墙段，利用弱连梁将不同墙段连接起来，为了避免剪力墙结构引发剪切破坏，不同的独立墙段的总高度必须为界面高度的2倍以上。在抗震设计过程中，如果小墙肢截面的高度小于墙厚度的4倍，应设置合理的框架柱，并对框架柱的加密区进行全高加密。由于剪力墙结构平面内具有较大的承载力和刚度，而平面外刚度和承载力较小，因此为了提高剪力墙结构平面外的稳定性，必须对剪力墙平面外的弯矩进行控制。如果剪力墙结构和平面外的楼面梁连接时，必须避免梁端弯矩对墙体造成的影响。

由于结构的抗侧刚度会受到剪力墙布置方式的影响，因此一般都会将剪力墙自下而上布置，同时在垂直方向山给改变墙体的厚度和混凝土的强度等级，或者可以减少一部分墙肢，减小侧向刚度。必须注意到剪力墙结构如果沿垂直位置不连续，将导致刚度突变，影响建筑结构的抗震效果。剪力墙设计过程中，先结合实际工程对结构进行分析，符合层间位移、周期比等指标的要求，确定出剪力墙厚度，结合建筑的抗震需求，满足结构的构造要求。

2.2计算优化

在剪力墙结构设计中，重点关注结构设计的合理性，如果剪力墙就结构的刚度较大，将不能满足层间位移的要求，结合楼层的最小剪力系数，保证计算结果接近规定值。控制好结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的自振周期之比符合要求。考虑地震影响的过程中，高层建筑竖向构件的最大水平位移在楼层平均值的1.2倍以下，同时保证剪力墙连梁和底部加强区的轴压比满足要求。在调整楼层最小剪力系数的过程中，减少剪力墙的布置，保证结构的侧向刚度满足要求，使楼层的最小建立系数达到规范限值。减轻结构自重，减小地震的影响，降低工程造价。在最大层间最大位移和层高之比调整的过程中，充分考虑楼间的弯曲变形，在高层建筑汇总尽可能将扭转变形控制在最小，结合层间位移的特点，增强竖向构件的刚度。在实际工程设计中，不可盲目增加竖向构件的刚度，必须注意实际结构的剪重比，如果剪重比较大，必须先减小对应一侧的结构刚度，减小地震作用的同时，提高结构的整体效果[4]。

3应用实例

3.1工程概况

某高层建筑总高度52.6m，共18层，层高2.9m，建筑面积6500m2，基本地震加速度值为0.20g，抗震设防烈度Ⅷ度，基本风压为0.55kN/m2，采用二级剪力墙结构，混凝土强度等级为C30~C25，钢筋梁强度HRB400，钢筋板强度HPB235。

3.2结构布置

原结构标准层剪力墙结构的布置未优化前采用纯剪力墙结构，墙肢底部加强部位宽度为250mm，底部以上宽度200mm，利用SATWE方法计算后发现该剪力墙的利用率较低，底层墙肢轴压比为0.35~0.40之间，将结构位移控制在1.2以内，结构周期和位移角较小，整体刚度较强。结合实际工程的特点，对主要的问题进行分析，对剪力墙结构布置进行优化调整。优化前和优化后的剪力墙结构对比后可以看出，原结构攻读较大，层间位移不足，优化后的机构刚度适宜，分布也较为均匀，位移角和位移比均有所增加，在结构布置和墙肢长度的调整过程中，将底层轴压比控制在0.50以下，使得剪力墙成分发挥出较高的承载力和刚度，优化后的成根本明显低于优化前。

4结束语

剪力墙结构在高层建筑的应用过程中，设计阶段的成本控制影响着后期的施工成本，项目设计一般都存在较大的优化空间，在建筑领域应用优化设计，不仅可以节约能源，还可以提高建筑物本身的性能。结构优化设计中可以降低成本造价，增大建筑的应用空间，值得在实际工程设计中推广。