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摘要：当前，随着建筑行业的进一步发展，对于建筑空间的要求更加严格，以及土地资源紧缩，高层建筑也就日益增多。而为了最大限度的满足高层建筑荷载力的承重要求，剪力墙在高层建筑中的运用越来越广泛。对于不同的建筑结构，剪力墙的应用有着不同的结构设计方法，需要根据使用要求和实际情况来进行剪力墙的优化设计，对建筑结构进行科学合理布局，综合采取有效对策，提高剪力墙结构设计水平，为后续施工创造良好条件，提高整个建筑结构的安全性、经济性。本文在此从剪力墙结构布置的要求出发，对剪力墙结构设计过程中的几个具体的操作要点做了一定的探讨。
关键词：剪力墙；高层；结构；设计应用
前言：
剪力墙结构是用钢筋混凝土浇筑而成的墙板来替代传统框架结构中的柱和梁，可以有效抵抗风荷载、地震等水平力的作用。在高层建筑不断发展的需求下，如何在设计层面满足高层建筑的样式创新、功能需求以及结构安全性，追求新的结构型式和更加合理的模型将是未来的目标和方向。
一、高层建筑剪力墙结构设计概述
剪力墙结构是用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱，能承担各类荷载引起的内力，并能有效控制结构的水平力，这种用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构称为剪力墙结构。这种结构在高层房屋中被大量运用。剪力墙截面特点是墙肢长度远大于厚度，自身平面内具有很大的刚度和承载力，平面外刚度和承载力都相对较小，墙肢属于偏心受压或偏心受拉构件。同时在剪力墙结构中，墙是一个平面构件，它除了承受沿其平面作用的水平剪力和弯矩外，还承担竖向压力；在轴力、弯矩、剪力的复合状态下工作，其受水平力作用时似一底部嵌固于基础上的悬臂深梁。在地震作用或风荷载下剪力墙除须满足刚度强度要求外，还必须满足非弹性变形反复循环下的延性、能量耗散和控制结构“裂而不倒”的要求。
剪力墙优点是水平和竖向的侧移比较小、侧向刚度比较大，剪力墙结构中的楼盖结构通常只能采用平板，并且可以不设梁，从而提高了空间的利用率。缺点是建筑平面布置不灵活、间距受到一定的限制、对于大空间的公共建筑物使用性较差，除此之外，剪力墙自身的重量比较大，通常适用于公寓、住宅以及旅馆等建筑物之中。
二、剪力墙结构布置的要求
剪力墙结构中，剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置；抗震设计的剪力墙结构，应避免仅单向有墙结构布置形式，使其具有较好的空间工作性能，两个受力方向的抗侧刚度接近。剪力墙墙肢截面宜简单、规则，剪力墙的竖向刚度应均匀，剪力墙门窗洞口宜上下对齐、成列布置，形成明确墙肢和连梁，避免剪力墙脆性破坏。较长剪力墙宜开设洞口（用砌体填充），将其分成长度较均匀的若干墙段，墙段要采用弱梁连接，每个独立墙段总高度与其截面高度之比不宜小于3，墙肢截面高度不宜大于8m。剪力墙自下到上连续布置，避免刚度突变。控制剪力墙平面外的弯矩，保证剪力墙平面外的稳定性。
三、剪力墙结构设计过程中的几个具体的要点
1、剪力墙合理定位
剪力墙最好沿主轴方向或其他方向进行双向布置；对于抗震设计的剪力墙结构应特别避免仅单向有墙的结构布置型式。1）对一般的矩形、L形、T形等平面则沿着两条轴线的方向进行布置。2）对于部分三角形平面、Y形平面则可以沿其三个轴线方向布置。3）对正多边形、圆形及弧形平面可沿径向及环向布置。总之，剪力墙的平面布置应本着尽可能均匀、对称、周边布置的原则，尽量使墙面结构的刚度中心和质量中心完全重合，从而减少扭矩。而内外剪力墙应尽量拉通、对直。剪力墙肢截面宜简单、规则。剪力墙的抗侧力刚度不宜过大。为充分发挥剪力墙的抗侧力刚度和承载能力，增大剪力墙可利用空间，剪力墙的间距不宜太密，使结构具有适宜的侧向刚度。判断结构侧向刚度与剪力墙数量的适应程度，可以选用经验公式T=（0.05~0.06）n，其中n为结构层数。公式计算出来的T1值与搭模计算的周期T2相比较，TI>T2则表示剪力墙偏多，可适当减少剪力墙数或开些适合的大洞来减小墙的刚度，反之则需要增加剪力墙数量。
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2、结构计算
进行剪力墙结构设计时，应该根据设计需求进行设计，使得设计更加合理。对结构两向侧向刚度应结合工程经验把握，“不宜相差过大”一般可控制两向的主要计算指标（周期、层间位移等）相比不小于80%。在进行结构设计时，应该做好高层建筑扭转环节，高层的高度应该控制在合适范围内。实际工程中，对具有不规则洞口的剪力墙，首先应进行剪力墙开洞的规则化处理（注意：这一点非常重要，随着程序计算功能日益强大，尽管剪力墙的布置及其洞口位置可以照搬建筑图，且只要有输入就会有“计算结果”，但剪力墙不经规则化处理的计算结果，其结构传力路径不清晰，“计算结果”的可信度低）。高层建筑不应全部采用短肢剪力墙进行设计，设计时应该更多注意，当短肢剪力墙比较多的时候，应该适当的进行调整，这样就可以更好的抵抗水平力类型的剪力墙体。
3、厚度设计
根据我国的现行规范《高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010》，要求剪力墙结合实际抗震等级要求，加强剪力墙底部的区域。具体规定为：1）剪力墙厚度应满足稳定验算要求；2）一、二级剪力墙：底部加强部位不应小于200mm，其他部位不应小于160mm；一字形独立剪力墙底部加强部位不应小于220mm，其他部位不应小于180mm；3）三、四级剪力墙：不应小于160mm，一字形独立剪力墙的底部加强部位尚不应小于180mm；4）非抗震设计时不应小于160mm；5）剪力墙井筒中，分隔电梯井或管道井的墙肢截面厚度可适当减小，但不宜小于160mm。值得注意的是，以上规定与《建筑抗震设计规范GB50011-2010》略有不同。实际工程中，如底部剪力墙的层高为4m，墙厚通常设为0.24m，投资商要求视野开阔，不应设置外纵墙，在横墙端部不应当设置端柱与翼墙时，一旦高层建筑的层高增加，设计人员应该进行概念设计，同时进一步调整剪力墙的轴压比，结合墙体截面尺寸，来验算剪力墙的稳定性与强度，在剪力墙的构造上应当加强配筋与设置暗柱，保证剪力墙的自身连结力，从而能够减小剪力墙厚度，满足墙体的稳定验算要求。
4、大墙肢处理
剪力墙结构本身存在延伸性，所以在设计和施工中也需要具备相应的延伸特性，这将直接关系到剪力墙结构的整体性和耐久性。为了避免剪力墙结构出现脆性破坏现象，对于墙体长度较长的剪力墙，在设计时应在确保其满足承载力要求的基础上采用分层间隔方法设计，将剪力墙分隔成一定数量均匀的独立墙段；对于墙体长度较小的剪力墙，其受弯产生的裂缝宽度就较小，这个时候可设置配筋，充分发挥墙体配筋的支撑作用。当墙肢长度超过8m时，还可采取下面两种方法避免脆性破坏现象的出现：第一，开施工洞，也就是在施工期间在墙上留洞，等到完工后砌填充墙，将长墙肢变为短墙肢；第二，在进行结构计算时在墙上留洞，这样能增强小墙肢的配筋能力。
5、墙体配筋
控制剪力墙配筋有利于结构的安全性和工程的经济性，在一、二、三级抗震等级的剪力墙中，竖向、水平分布筋的最小配筋率应0.25%，四级和非抗震设计时均不应小于0.20%。剪力墙的竖向和水平分布钢筋间距均不宜大于300mm，直径不应小于8mm且不宜大于墙厚的1/10。
房屋顶层剪力墙、长矩形平面房屋的楼梯间和电梯间剪力墙、端开间纵向剪力墙以及端山墙的水平和竖向分布钢筋的配筋率不应小于0.25%，间距不应大于200mm。
6、约束边缘构件处理
无约束边缘构件的矩形截面剪力墙与有约束边缘构件的矩形截面剪力墙相比，极限承载力约降低40%左右，极限层间位移角约减少一倍，对地震能量的消耗能力降低20%左右，且对楼板的稳定不利。剪力墙设置的边缘构件分为构造边缘构件和约束边缘构件。根据不同部位、不同级别的剪力墙相关轴压比，应选取相应的边缘构件。对于一、二级剪力墙底部加强部位以上的普通部位和三、四级的高层建筑及相邻上层或底部加强部位轴压比小于多层房屋剪力墙，处理方法均可设置构造边缘构件；而对于一、二级剪力墙结构的底部加强部位和相邻的上层，高层建筑及在重力荷载作用下墙体平均轴压比大于等于多层房屋时，应设置约束边缘构件。
7、连梁设计
在剪力墙结构中，连梁是指两端与剪力墙相连且高跨比小于5的混凝土构件，在地震等水平力的作用下，其内力往往较大，如果设计不当就会导致其产生脆性破坏，严重危害结构的安全性。因此，在设计连梁时，可根据不同的实际情况采取相应的措施，使连梁设计更为合理。例如，可以通过增加剪力墙的洞口宽度或在连梁中部开设水平缝的方式，又如可在计算内力和位移时对连梁的刚度进行一定的折减，并对局部内力过大的连梁进行一定的调整等。
四、结语
综上所述，剪力墙结构由于其抗侧刚度大、侧移小和抗震性能好等特点被广泛用于现代高层建筑中，实际设计过程中应充分利用剪力墙结构的优点，合理选择结构布置型式，掌握正确计算分析方法，应用各种先进的结构设计理念对建筑设计中的各个细节进行优化设计，使剪力墙结构满足使用的需要并且有优良的抗震性能。
参考文献：
[1]杨斌，张红英.关于剪力墙结构设计中若干问题的研究[J].工程地球物理学报，2009（06）.
[2]吕瑞孝，姜剑虹.高层建筑剪力墙结构设计需关注的要点[J].科技信息，2011（19）.
[3]朱炳寅.高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析JGJ3-2010.北京：中国建筑工业出版社，2018.
论文作者:秦锦蓉
论文发表刊物:《建筑细部》2019年第14期
论文发表时间:2019/12/16
标签：剪力墙论文; 结构论文; 刚度论文; 高层建筑论文; 构件论文; 不应论文; 截面论文; 《建筑细部》2019年第14期论文;