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【摘 要】剪力墙结构是高层住宅楼使用最多的建筑结构，相对于传统的框架结构具有优良的特性，对剪力墙结构进行优化设计能够有效提升高层住宅楼的品质。因此本文将对高层住宅楼剪力墙的概念设计进行分析，研究高层住宅楼剪力墙结构设计和计算设计的优化。
【关键词】优化；高层住宅楼；剪力墙
近年来大量农村人口涌入城市，城市住宅需求量不断增加，怎样在有限的土地上为更多的人口提供住所成为城市发展中的一个重要课题。高层住宅的出现有效地解决了这一问题，它的出现不仅解决了城市土地紧张和住宅供不应求的矛盾，还体现了一个国家建筑水平的进步和城市的发展进程，成为了现代城市的象征之一。然而相对于传统住宅，高层住宅对抗震能力和经济效益方面提出了更高的要求，这需要有更加合理的剪力墙结构作为支撑。不同的剪力墙的设置会对建筑的抗震能力和经济效益产生非常大的影响，因此合理设计高层建筑剪力墙结构成为城市高层建筑中必须面对的问题。
一、高层住宅剪力墙结构的概念设计
高层住宅楼建成后会受到水平和垂直荷载的双重作用，还要对地震作用进行抵抗。相对于低层建筑水平荷载产生的可以忽略位移和内力，高层建筑水平荷载产生的位移和内力较大，并成为控制因素。位移和弯矩会随着建筑高度的增加而增大，进而在设计高层住宅楼时不仅应使其具有一定的承载能力，还需要优异的抗侧刚度，进而有效控制因水平荷载引起的侧向变形。高层住宅楼的剪力墙结构因水平作用而发生的侧向变形为弯曲型。剪力墙结构具有水平荷载和竖向荷载能力强的特点，与其他结构相比，在同等水平力作用下只会产生较小位移，具有较大侧向刚度和优良的整体性。剪力墙结构的柱、梁不存在突出和外露，为居民布置房间提供了方便。但是剪力墙结构也存在一定的弊端，它提供房屋的空间不会太大，结构延性不良。当住宅楼的某层需要大空间如停车场时，就需要在该层设置框剪结构，但剪力墙结构和框剪结构之间应当设置转换层，二者不能直接相连。因剪力墙结构具有更好的竖向、水平荷载能力和横向刚度，所以其一般用于相对于框架结构更高的住宅楼。为有效保证剪力墙结构的水平荷载能力，对于三角形平面，剪力墙应当沿三个主轴方向布置；圆形平面，则应当环向布置；矩形地面，则需在竖向和横向分别布置剪力墙需。
二、剪力墙结构设计和计算的优化
（一）剪力墙结构设计方面的优化
第一，对剪力墙进行设计时，应当注意应顺着主轴方面双向设置剪力墙，形成空间结构。对剪力墙进行抗震设计时，不可将剪力墙进行单向设置，并使两个受力方向剪力墙具有近似的抗侧刚度，保证其空间工作性能良好承载力和抗侧刚度大是剪力墙的突出特点，为有效利用这一特点，布置时应尽量降低剪力墙密度，有效提高侧向刚度[1]。
第二，设计人员应当尽量设计规则、简单的剪力墙墙肢截面，避免剪力墙的竖向刚度不均匀的现象，设置成列、上下对其的门窗洞口，规则分布应力，同时符合目前通常应用的计算简图，保障设计结果的安全性。不应设计墙肢刚度差距较大的洞口，若在布置剪力墙的洞口时产生叠合错洞、错洞，应当采用框架形式进行墙内配筋。
第三，设计较长的剪力墙时，应当合理设计洞口，并保证洞口分布均匀，并用弱连梁连接相邻墙段，同时其截面高度应小于独立墙段总高度的二分之一，防止产生剪力墙脆性的剪切破坏。对其进行抗震设计时，不可产生洞口和墙边或相邻洞口之间出现墙肢截面厚度和高度之比大于四分之一的情况。如果小墙肢截面的厚度大于高度的四分之一，应设计为框架柱，全高加密箍筋，并依据框架柱加密区要求。
第四，平面内承重力和刚度大、平面外的承重力和刚度小是剪力墙的重要特点，因此，设计人员应当对剪力墙平面外的弯矩进行有效控制，在稳定性上使剪力墙平面外符合要求。当平面外方向的楼板连接剪力墙墙肢时，为避免梁端部弯矩对墙产生的不良影响应采取相应的措施。
第五，设计人员应当对高层住宅的剪力墙进行合理布置，宜自上而下使剪力墙贯联起来，避免中间断开的情形；设计人员可以改变竖直方向上剪力墙混凝土强度等级和剪力墙的厚度，让侧向刚度岩竖直方向递减。如果不能使剪力墙沿着竖直方向连续，沿高度的钢度将会发生突变，影响抗震效果。
第六，设计人员进行剪力墙设计时，应分析结构进而确定每层剪力墙的厚度，并满足符合层间最大位移 、位移比、周期比的有关指标，并对有关构造要求和不同抗震等级轴压比的影响进行综合考虑。普通高层住宅在七度和八度的区域，依照构造和稳定按要求控制墙的厚度。应依据剪力墙允许高厚比，如图1，结合实际情况确定墙的高度[2]。
（二）剪力墙结构计算方面的优化
设计人员进行剪力墙结构设计时，应当结构相关规范对剪力墙结构进行考察，例如应当有效控制剪力墙结构的刚度，以规定的楼层最小剪力系数为目标，让计算结果尽可能靠近该值，并使楼层最大层间位移和层高之比满足规范。对结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的自振周期T1之比进行控制，A级高度高层建筑应小于等于0.9；在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构建的最大水平位移和层间位移，A级高度高层建筑应小于等于该楼层平均值的1.2倍，应当小于等于该楼层平均值的1.5倍。确保墙连梁为超限，剪力墙第五加强区的轴压比符合规范。
第一，调整楼层最小剪力系数的原则。当符合短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩小于等于百分之四十的条件时，应当尽量少设置剪力墙，将大开间剪力墙布置方案为目标，保证结构的侧向刚度，让楼层最小剪力系数无限度接近规范限值。这样做可以尽量降低结构自重，尽量排除地震力的影响，并减小工程费用投入。
第二，楼层最大层间最大位移与层高之比的调整原则。对多地震作用的楼层最大层间位移进行计算时，以楼间弯曲变形为主，计入扭转变形，结构整体弯曲变形可以不扣除。所以，对于高层住宅楼应依据层间位移的情况合理增加竖向构建的刚度，并尽可能的减小扭转变形。在进行实际设计的过程中，设计人员在某方向层间位移不符合规定时，常常会设计增加侧向刚度。采取这种方法的时候，设计人员必须关注结构剪重比；若和规范限值接近，则这种方法可行；如果剪重比比限制大的较多，设计人员就应停止增加侧向刚度，将对应一侧的结构刚度减小，减小其剪重比。减小了地震多用，也能够实现良好的效果。
第三，结构扭转为主的第一自振周一Tt与平动力为主的第一自振周期T1的调整原则。实践表明，遇有扭转刚度太弱、质量和刚度偏心、平面不规则的结构易受到地震作用的破坏。设计人员对其进行设计时，应当合理增加结构的抗扭刚度：第一步应当保证限制结构平面的规则，防止出现过大的扭转效应，应综合考虑偶然偏心的影响对扭转效应进行计算。其次是合理增大限制结构的抗扭刚度，体现在Tt/T1指标上。设计实际工程时，应尽量沿周边设置结构竖向构建，对结构的抗扭刚度和侧向刚度进行提高。如果加大结构形心附近构件刚度，只能有效增加侧向刚度，不能真正增加抗扭刚度[3]。
第四，连梁超限的调整原则。实践当中，设计人员设计的剪力墙长度应小于等于八米，若大于八米，就应设计弱连梁将其分开。同时应当依照框架梁设计跨高比大于等于5的连梁；有地震作用组合时，截面受剪承载力和配筋对以高跨为2.5为分界点的两种情况有不同的规定。因此需要塑性调幅连梁，使其剪力设计值降低。可用两种方法进行塑性调幅：第一种时折减连梁刚度于内力计算前。第二种用折减系数乘以连梁弯矩和剪力组合值与计算内力之后。设计人员不论使用哪种办法，使用状况的值都应高于连梁调整后的弯矩、剪力设计值，同时比设防烈度低一度的地震组合所得的弯矩设计值应当高于连梁调整后的弯矩、剪力设计值，进而在较小的地震作用下或者正常情况下不会产生裂缝。
结语：
虽然国内现有技术规程和技术规范都对剪力墙的有关标准进行了规定，但规定的内容比较简单，设计人员进行实际高层住宅楼设计中，设计阶段直接影响控制项目成本，但当下高层住宅楼的设计单位的业务繁忙，设计人员不足，使得高层住在楼的设计水平还能够有效提升。建设方和设计方追求对高层住宅楼设计的优化，有效地应用优化设计不仅能够提高建筑质量、保障建筑功能，还符合保护环境、节约能源的要求。结构优化设计是通过计算机软件进行自动设计的过程，能够压缩建设费用，对结构性能进行强化，实现使用空间的增大和施工期限的减小。本文对高层住宅楼剪力墙结构的概念设计进行了分析，分别研究了高层建筑剪力墙结构设计的优化和剪力墙结构计算的优化，以求为提升高层住宅楼剪力墙结构的设计水平贡献绵力。但本文还存在一定的局限，希望建筑行业的设计人员能够加强对高层住宅楼剪力墙结构优化设计的重视，不断完善相应设计，进而有效提升高层住宅楼剪力墙设计水平。
参考文献：
[1]张晨光. 高层建筑剪力墙结构优化设计分析探讨[J]. 门窗,2015,(10):240+244.
[2]杨俊宁. 浅谈小高层住宅楼的短肢剪力墙结构设计及计算结果分析[J]. 建材与装饰(中旬刊),2012,(11):53-54.
[3]贺海斌,朱学文. 高层剪力墙结构中剪力墙抗侧刚度的优化设计研究[J]. 工程建设与设计,2011,(09):58-61.
论文作者:郑丽娥
论文发表刊物:《低碳地产》2015年第14期
论文发表时间:2016/8/19
标签：剪力墙论文; 刚度论文; 结构论文; 住宅楼论文; 位移论文; 高层论文; 设计人员论文; 《低碳地产》2015年第14期论文;