高層住宅結(jié)構(gòu)剪力墻優(yōu)化設計探討

李曉碩

（中土大地國際建筑設計有限公司，河北 石家莊 050000）

隨著建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對于住宅設計質(zhì)量引發(fā)了社會大眾的關(guān)注。現(xiàn)階段住宅主要以剪力墻結(jié)構(gòu)作為主體，具有較強的安全性以及穩(wěn)定性能。因此對剪力墻結(jié)構(gòu)進行分析，有著十分重大的現(xiàn)實作用以及經(jīng)濟作用。本文主要探討剪力墻結(jié)構(gòu)在高層住宅的應用，并就如何優(yōu)化進行相應探討，并給出有針對性的解決建議，希望能夠提高剪力墻的設計質(zhì)量，給相關(guān)設計人員以參考。

1 高層住宅結(jié)構(gòu)剪力墻優(yōu)化設計的意義

高層住宅的結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻的作用是主要承受外部的荷載作用，抵抗外部的變形以及在發(fā)生地震時起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)主體的作用，能夠防止剪切破壞。在整個結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻在設計上追求對稱性以及均勻性，盡量做到分散，并且具有彎曲的延展性能，同時抗震性比較好。剪力墻自身擁有較強的承載能力，在發(fā)生外部環(huán)境變化的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保證主體結(jié)構(gòu)的安全。同時這種設計也存在缺陷，它的空間布置不夠靈活，顯得比較笨重，一般在設計中采用一些優(yōu)化的復合體系，比如說框剪結(jié)構(gòu)，能夠同時結(jié)合框架結(jié)構(gòu)以及剪力墻結(jié)構(gòu)兩種設計結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點，做到取長補短，來提升剪力墻的設計質(zhì)量。

2 高層剪力墻結(jié)構(gòu)的特點

針對高層建筑所采取的剪力墻結(jié)構(gòu)具備側(cè)移控制、水平荷載、軸向變形以及結(jié)構(gòu)延性等特點，因此在對高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)進行設計時應當充分考慮到以下幾點，剪力墻結(jié)構(gòu)應當具備較大的自重，具備較高的抗側(cè)剛度，且側(cè)移范圍較小，吸收性能相對較好，可有效降低地震對高層建筑所造成的沖擊。高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)在厚度與高度方面和低層建筑相比更大，其抗剪強度會消耗相對較小的荷載能量，因此在設計高于20層的高層建筑時，應當通過全截面抗彎作為理論基礎來將剪力墻截面彎曲破壞所具備的極限承載力進行計算，一般來說剪力墻結(jié)構(gòu)中的門窗洞口尺寸越小，其所具備的整體性能越優(yōu)秀。同時，在對高層建筑剪力墻進行設計時，還應當根據(jù)實際情況來合理劃分剪力墻結(jié)構(gòu)中的空間結(jié)構(gòu)，進而實現(xiàn)室內(nèi)框架美觀整潔的目的。需要注意的是，一般采取了混凝土作為剪力墻結(jié)構(gòu)的原材料，自身具備一定的重量，在受到地震沖擊時極易對整體產(chǎn)生較大的破壞，且剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度也會受到地震的影響，給居民帶來一定的安全隱患，因此在這方面還有待優(yōu)化與完善。

3 高層住宅剪力墻設計中存在的問題

3.1 配筋的設計問題

第一，高層住宅剪力墻邊緣的構(gòu)件失去作用。由于建筑物的抗震等級不同，剪力墻結(jié)構(gòu)的邊緣構(gòu)件也不盡相同，結(jié)構(gòu)設計人員如果所選用的抗震截面的受壓能力無法滿足要求，剪力墻邊緣構(gòu)件也屬于無效設計。在我國高層建筑住宅設計中，廣泛應用短肢剪力墻，但是剪力墻邊緣構(gòu)件大都是以普通剪力墻為主，因此可能不能充分發(fā)揮邊緣構(gòu)件的作用。第二，構(gòu)件配筋穩(wěn)定性。配筋問題主要出現(xiàn)在約束的邊緣構(gòu)件，由三部分所構(gòu)成：主要有陰影部分的配件，非陰影部分的配件以及剪力墻水平的分布筋，這三個部分都對于剪力墻有十分重要的影響。但是對于配筋邊緣構(gòu)件沒有形成捆扎綁定的形式，導致一些陰影分布筋無法發(fā)揮出主要的作用。一些非陰影的配筋出現(xiàn)重疊等不合理的現(xiàn)象。同時剪力墻水平分布筋可能會出現(xiàn)連接不當，造成接觸面積下降，影響設計質(zhì)量。

3.2 轉(zhuǎn)角窗的設計問題

第一，轉(zhuǎn)角窗的設計缺乏合理性。在工程設計人員對轉(zhuǎn)角窗進行設計時，所采用的豎向構(gòu)件無法對相應的轉(zhuǎn)角窗進行約束，必然會導致穩(wěn)定性下降，同時還能會增大轉(zhuǎn)角窗的彎曲變形程度，威脅群眾的安全。第二，轉(zhuǎn)角窗過梁設計存在問題，在一般情況下，設計人員對于轉(zhuǎn)角窗的上梁洞口所在地要經(jīng)過合理的計算，但是如果無法對洞口所在地進行確認，必然會使得轉(zhuǎn)角窗過梁連接時存在問題，嚴重降低高層住宅建筑剪力墻的穩(wěn)定性。剪力墻結(jié)構(gòu)是主要的水平抗震構(gòu)件，它的平面剛度比較大，尺寸比較小，在設計中容易滿足高層的側(cè)向位移的性質(zhì)以及使用功能的要求。隨著高層建筑水平高度的逐漸增大，它的承受水平力的作用也隨之增大，對于剪力墻結(jié)構(gòu)進行合理的設置，可以有效的提升極限的承載能力。在剪力墻中，外墻的內(nèi)力明顯增大，因此需要避免設置轉(zhuǎn)角窗，如果必須要設置時，要采取一定的強化措施，比如說可以在轉(zhuǎn)角窗的樓板加厚，并且可以設置雙層雙向配筋，在轉(zhuǎn)角窗的位置設置從底到頂?shù)倪吘壖s束構(gòu)件，它的抗截面以及連續(xù)梁的跨度都不能夠忽視，在設計過程中應該及時調(diào)整連續(xù)梁的跨高比，并且盡量進行優(yōu)化。

4 高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)化措施

4.1 優(yōu)化的原則

高層住宅剪力墻在進行結(jié)構(gòu)設計時，應該遵循對稱以及分散性的原則，盡量實現(xiàn)均勻性，與周邊環(huán)境形成統(tǒng)一的整體。剪力墻在分布方向上可以沿著縱橫兩個方向進行布置；剪力墻比較適合布置在房屋的端部變化處，或者是平面結(jié)構(gòu)的變化處，也可以是荷載比較大的位置，或者是樓梯間和電梯間等位置。在布置上盡量實現(xiàn)均勻和分散，以減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)作用力。

4.2 模型計算優(yōu)化措施分析

在進行結(jié)構(gòu)建模計算時，需要通過對相關(guān)指標的分析來考量剪力墻結(jié)構(gòu)布置的合理性。例如，可以通過觀察樓層最小剪力系數(shù)來對結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，在確保結(jié)構(gòu)抗側(cè)力的前提之下使得樓層的最小剪力接近規(guī)范的規(guī)定限值，從而降低結(jié)構(gòu)自重，實現(xiàn)降低工程造價的目標。還有，在一些工程項目當中，某一方向的層間位移比可能過大，此時并不是盲目的去增加該方向的剛度，而是需要同時關(guān)注結(jié)構(gòu)的剪重比，如果結(jié)構(gòu)的剪重比已經(jīng)偏大了則應降低另一方向的剛度，這樣不僅能解決位移比問題，同時還減少了結(jié)構(gòu)造價。

4.3 對于結(jié)構(gòu)參數(shù)進行有效的控制

需要對于高層住宅剪力墻位移比、周期比以及位移角等重要的參數(shù)進行控制，使得住宅剪力墻滿足規(guī)范設計要求。在高層建筑中，豎向構(gòu)件的平移和層間位移的比值也就是位移比，能夠使得建筑的不規(guī)則性得到了限制，能夠有效防止出現(xiàn)偏心率或者是主線的扭轉(zhuǎn)效應。為了實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)參數(shù)的有效控制，需要在高層建筑豎向構(gòu)件位移比進行明確的規(guī)定，指標在整個剪力墻布置過程中起到非常重要的指引作用，也需要按照建筑工程實際情況進行布置，以滿足指標要求。

4.4 對剪力墻墻肢進行優(yōu)化

部分剪力墻結(jié)構(gòu)長度相對較大，針對這一問題就可以在該剪力墻結(jié)構(gòu)中進行開洞，以此來把較長的剪力墻分割為單獨、均勻的小型墻段，這樣一來就較難產(chǎn)生裂縫，從而讓剪力墻結(jié)構(gòu)中的鋼筋本身所具備的支撐作用得到最大化的發(fā)揮。在受到地震的沖擊時，剪力墻墻肢過大極易產(chǎn)生破壞，因此通過對剪力墻墻肢進行優(yōu)化，能夠有效降低被破壞的機率，減少后期的維修成本支出。

4.5 對于剪力墻連梁進行優(yōu)化

剪力墻連梁主要是指各個剪力墻之間的相互連接的梁，一旦剪力墻墻體受力過大，必然會引發(fā)變形現(xiàn)象，降低建筑物的使用壽命。因此在進行設計過程中，將剪力墻連梁進行優(yōu)化，對于連梁的高度進行有效控制，確保其在合適的范圍內(nèi)，避免因為尺寸問題造成連梁剪切變形。同時對剪力墻連梁受力進行控制，合理的規(guī)范相應的結(jié)構(gòu)屬性。在進行設計時，避免出現(xiàn)墻體厚度降低的情況，這種做法容易出現(xiàn)剛性的驟變，必須要明確剪力墻的位置以及數(shù)量，上下保持統(tǒng)一，使得剪力墻沿著住宅整體的高度均勻發(fā)生變化。

4.6 對剪力墻結(jié)構(gòu)過渡層進行優(yōu)化

高層建筑在受到地震沖擊時，底層框架中的剪力墻同樣會受到較大的應力，加之荷載的影響，在剪力墻結(jié)構(gòu)中的過渡層會降低其墻體本身的承載力，如若不對其進行有效的優(yōu)化，那么就會留下一定的安全隱患。在對剪力墻結(jié)構(gòu)過渡層進行優(yōu)化時，應當根據(jù)實際情況來計算過渡層墻體的最大受壓數(shù)值，并在其中適當增加構(gòu)造柱，讓后續(xù)的墻過渡層可以提升其對于地震剪切力的傳遞效果，從而最大化地提高過渡層所具備的延展性能及對能量進行消耗的能力。

5 結(jié)語

在高層建筑住宅結(jié)構(gòu)中，剪力墻發(fā)揮著非常重要的作用，具有十分明顯的優(yōu)勢，針對于剪力墻的結(jié)構(gòu)設計特點，工程設計人員需要結(jié)合高層住宅建筑的設計具體要求，選擇合理的設計布局，做好相應的延伸處理，不斷提升剪力墻的設計性能與強度，從而能夠?qū)崿F(xiàn)主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。應該做好高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，特別是對墻體平面外彎矩、剪力墻連梁進行優(yōu)化，可以達到提升主體工程質(zhì)量的目的。