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浅析高层建筑剪力墙结构优化设计
作者：单友付 左飞腾 王晨曦
来源：《城市建设理论研究》2013年第11期
摘要：随着我国经济高速发展，科学技术快速进步，新产品新技术的应用，城市高层建筑随之快速发展。其中，剪力墙结构具有较大的抗侧刚度和竖向承载力，成为高层建筑普遍采用的结构形式之一。本文从高层建筑剪力墙结构的计算、经济含钢量等方面入手，探讨了高层建筑剪力墙结构设计优化方法及优化措施。从而达到建筑结构的整体优化，实现高层建筑结构设计科学、合理、经济、安全的设计目的。 关键词：高层建筑；结构设计；剪力墙结构 中图分类号：TU318文献标识码： A 文章编号： 1 合理的结构布置
结构的布置对建筑物的抗震性能有巨大的影响，合理的结构布置是结构安全、经济的前提。主要从平面和竖向布置两个方面进行考虑。
1.1平面布置原则。高层建筑结构平面形状宜简单、规则、对称，刚度和承载力分布均匀，不应采用严重不规则的平面形状，这样可以减少扭转的影响。宜选用风压体形系数较小的形式，还必须考虑有利于抵抗水平作用和竖向荷载，受力明确、传力直接。
1.2竖向布置原则。竖向布置应使体型规则、均匀，避免有较大的外挑和内收，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。剪力墙结构为了底部大空间的需要，底层或底部若干层剪力墙不落地，可能产生刚度突变，这时应尽量增加其他落地剪力墙、柱或筒体的截面尺寸，并适当提高相应楼层混凝土的强度等级，使层刚度的突变减小。 2 剪力墙结构设计分析
2.1剪力墙结构刚度大，整体性好，用钢量较省。在高层住宅中，开间均较小，分隔墙较多，采用现浇剪力墙，可将承重墙减少，比较经济。另外，剪力墙外观整齐，没有露梁、露柱现象，便于室内装修，因此，在高层住宅中常采用现浇剪力墙结构。
2.2剪力墙结构设计中应注意的问题，剪力墙结构的抗侧刚度大，结构周期小，地震响应大；剪力墙结构墙体越多，建筑物的重量越大，地震反应也大，会造成浪费；另外，剪力墙结构墙体多为构造配筋，如果配筋率太低，则结构延性差。
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2.3结构位移的控制最大层间位移角（应≤1/1000）、最大水平位移与层平均位移的比值（不宜大于1.2，不应大于1.5）及最大层间位移与平均层间位移的比值（不宜大于1.2，不应大于1.5）。结构在风荷载和地震作用下的位移均能很好地满足规范限值。
2.4剪重比控制剪重比是反映结构承受地震作用大小的指标之一，地震力计算不能偏大，但也不能太小。
3 剪力墙结构构件含钢量控制
随着我国建筑科学的迅速发展，建筑高度越来越高，剪力墙结构在高层建筑中的应用也越来越广泛。在高层剪力墙结构设计时应该根据实际情况，依据设计规范要求对高层剪力墙结构进行计算分析，优化结构设计，在确保结构安全的前提下将含钢量控制到最为经济。经过多年的设计及施工经验积累，对高层建筑剪力墙的合适含钢量已经有了一些标准，该合适含钢量指标对剪力墙结构设计的经济性有一定的指导意义。（见表1） 4 剪力墙结构方案选择
高层建筑剪力墙的设计方案有很多种，在确保建筑工程结构安全的前提下，应该考虑最大限度地降低工程造价，选用合适的结构形式。
层数较少的高层住宅建筑可以采用短肢剪力墙结构体系。对于层数在20层以下的住宅建筑若采用传统的现浇剪力墙结构，由于各墙肢的实际轴压一般会比计算值偏小，墙体又多为构造配筋，就会导致墙体的承载力不能充分发挥出来。而采用短肢剪力墙结构，就可以很好地解决上述问题。合理采用短肢墙可以将部分混凝土墙用砖墙替换，减轻墙体自重，降低结构刚度，因此，其地震反应降低了，工程费用也随之降低，另外还加大了结构的延性，提高结构的抗震性。
在框支剪力墙高层建筑结构中，上部结构其实也可以采取短肢剪力墙结构。框支剪力墙结构中，为了降低上下层的刚度变化，采用适当减少剪力墙刚度的短肢剪力墙结构，比加大下层刚度的方法，明显具有良好的经济效益。
当建筑物的层数超过20层时，最好还是采用传统的现浇剪力墙结构。层数过大的建筑结构中若再采用短肢剪力墙结构，那么就会使得结构刚度不够，顶点位移与层间的位移值就很有可能超出规范要求，结构底部的剪力系数也会较低，结构的安全性偏低。但是，有时候在采用传统的现浇剪力墙结构时，结构的刚度过大，这时可以采用在墙肢上开孔，或者将窗台改成砖砌结构等措施进行调整。 5 高层建筑剪力墙结构的优化
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在高层建筑工程施工过程中采用高层剪力墙结构，主要是因为高层剪力墙结构刚度大，整体性较好，用钢量较为节省。因此，对高层剪力墙结构的优化的必要的，能够有效的提高高层剪力墙的安全性和可靠性。
5.1 剪力墙结构构件的经济含钢量
随着我国高层建筑不断增多，建筑结构的高度也不断提升，在高层建筑结构中应用剪力墙结构已经非常普遍。通过对高层建筑结构设计和施工经验的分析，认真研究了高层建筑剪力墙结构构件适宜的含钢量。对剪力墙结构构件的经济含钢量进行准确的计算，能够保证构件设计的经济性。
5.2 剪力墙结构的适宜方案
选择出合适的高层建筑结构体系能够在设计方案阶段有效的控制工程的整体成本。在高层建筑结构体系选择，对于层数相对较少的高层建筑应该选择短肢剪力墙结构体系。可以合理的解决墙肢轴压比，墙体配筋和墙体承载能力，有效的降低工程成本。并且，应用断肢剪力墙结构体系可以将结构顶点位移、周期、水平地震剪力合理的控制在一定的范围内。但是，在有一些较为特殊的情况下应用传统的高层建筑现浇剪力墙结构体系，如果出现结构刚度计算值偏大的问题，可以将较大的墙肢合理的开设结构洞或者将窗台改为其他砌体进行合理的调整，能够有效的保证高层建筑结构的稳定性、安全性和可靠性。 6 高层建筑剪力墙结构设计优化措施 6.1 注重转换层结构设计
现代高层建筑的使用功能越来越多样化，多功能的综合大楼，其上部结构、下部结构的使用功能是不同的。因此，其结构布置形式也应该有相应的变化，必须设置转换层结构。高位转换的底部大空间剪力墙结构相当复杂，因此在进行设计时必须要引起重视。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。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。 6.2 优化连梁设计
对于连梁非抗震及抗震设计，高跨比大于和小于2.5这两种情况，规范在截面受剪承载力以及配筋这两个方面都有明确的要求。塑性调幅可以采取以下两种方法：1）将连梁的刚度在内力计算之前进行折减。2）将连梁的弯矩与剪力的组合值在内力计算之后再乘上一个折减系数。不管是采用哪种方法，应该确保经过调整后连梁的弯矩、剪力设计值不得小于使用阶段实际值，也不得低于设防烈度低一度的地震组合所得的弯矩设计值。防止在正常使用状况下或者较小地震作用下产生裂缝，影响结构安全。另外，还必须要重视连梁的铰接处理。
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