高层建筑剪力墙结构设计分析和讨论

　　[摘要]本文从剪力墙的结构类型及其特点、剪力墙的布置和数量、剪力墙墙肢分类以及连梁的设计等方面对高层建筑剪力墙结构设计中若干问题展开探讨。
　　[关键词]高层建筑；剪力墙类型；剪力墙布局；连梁设计
　　引言
　　高层建筑因其外观挺拔、节约用地以及人口容载巨大等优点越来越受投资者及建筑师们的青睐。剪力墙结构的高层建筑更是因为结构刚度大，在横向荷载作用下水平位移小以及建筑室内空间整体性好等特点，被普遍推广和使用。
　　1高层建筑剪力墙结构的分类及其特点
　　1.1剪力墙结构的分类
　　影响剪力墙分类的因素有如下几项：剪力墙上是否开洞、洞口大小、洞口数量以及洞口位置等。根据以上影响因素，剪力墙结构可划分为5类，分别为：壁式框架剪力墙、整体小开口剪力墙、整截面剪力墙、独立悬臂剪力墙以及联肢剪力墙。在量化数据上，我们可以根据剪力墙完整性系数以及墙肢与组合截面（图一）惯性矩n/I及肢强系数〔1〕来判断。完整性系数是连梁抗弯线刚度和墙肢抗弯线刚度的比值，越大说明墙肢越弱、连梁越强，意味着剪力墙的完整性越高。
　　当满足≥10，n/I≤时，可判断为整截面墙或整体小开口墙；当≥10，但n/I≥时为壁式框架：满足n/I≤，但<10时为联肢墙；当<1时为独立悬臂墙。
　　1.2各分类的特点
　　（1）整截面剪力墙与整体小开口剪力墙：以上两种形式的剪力墙均属于完整度高的墙体类型（值高），并具有相近的受力特征，其形变曲线均为弯曲型。但两者也存在区别：前者由于墙体不挖洞，整体受力特性一致，在水平荷载下弯矩不会出现突变以及反弯点，而后者则会出现弯矩突变的情况。
　　（2）独立悬臂型剪力墙：与前两种结构不一样，该种剪力墙墙面洞口较大，值很小，属于墙肢强、连梁弱的类型。由于连梁极弱，所以其对墙肢的连接和约束作用很小，在水平荷载作用下极易发生弯曲，剪力墙刚度低、整体性差。因此，我们在设计时，如果有更好的选择，此种形式的剪力墙尽量少用。
　　（3）壁式框架式剪力墙：跟上一种形式的剪力墙相像，壁式框架式剪力墙墙面亦开有较大的洞口，连梁的抗弯线刚度与墙肢的抗弯线刚度相当，但其整体性比独立悬臂型剪力墙好，值也较独立悬臂型剪力墙高。壁式框架式剪力墙在受到较大水平荷载作用时，其会出现剪切型的变形，且出现反弯点，因此在设计时亦不宜过多使用。
　　根据以上不同类型剪力墙特点的分析，我们可以作如下总结：在剪力墙结构设计中，为确保高层建筑较强的整体性以及较强的抗水平荷载能力，可以通过采用整截面剪力墙、整体小开口式剪力墙以及联肢式剪力墙等值较高、整体性好的剪力墙类型。另外，如非建筑造型的迫切需要，我们应尽量减少剪力墙面的洞口数量和洞口面积，以确保在水平荷载下不会出现内力突变以及反弯点。
　　2剪力墙的布置和数量研究
　　2.1剪力墙的布置
　　在剪力墙分类和及各类型特点明确之后，我们需要对剪力墙的在平面上的布置方法和原则进行研究探讨。剪力墙平面分布需要遵循几个原则：均匀性原则、对称性原则、分散性原则以及周边围合性原则。遵循以上原则，可确保：（1）剪力墙分散布置，可确保墙体数量不会过少，且每面墙体的刚度不需太大。（2）连续的墙体不会过长，且抵抗水平荷载的构件增多，能有效分散外力的有害作用。（3）确保当某部分墙体在外来作用下发生损坏时，建筑整体不会失稳。
　　2.2确定剪力墙的厚度
　　根据施工经验和规范要求，框架剪力墙结构中的剪力墙宜设置边缘约束构件：边框柱和边框梁。根据高层建筑设计规范，带边框剪力墙的截面的厚度如下：（1）在考虑抗震防灾时，第一、第二等级的剪力墙，其底部作加强处理的部分厚度不能低于20厘米，同时亦不能小于建筑楼层高度的1/16；（2）在不涉及防震处理的的情况下，其厚度不应小于16厘米，并不能小于建筑楼层高度的1/20〔2〕。
　　2.3剪力墙合理数量的确定
　　据研究和实践表明，框架剪力墙结构中，剪力墙数量越多，建筑的整体性越强，抗震强度也越强，在地震发生时，建筑整体遭受的损害也越小。根据日本地震灾害统计数据显示：当每平方米楼面内的剪力墙长度不足0.05米时，建筑损害最大；当剪力墙长度在0.05-0.15米时，损害中等；长度大于0.15米时，损害微小。
　　剪力墙数量的确定应按照建筑在水平荷载作用下的许可位移来确定，按照高层建筑设计规范的要求，在一般要求下，框架剪力墙建筑最高点的位移与建筑高度的比值（u/H）不应大于1/700；在建筑要求较高时，该值不应大于1/850〔2〕。在满足以上的水平位移控制的前提下，剪力墙的数量可以适当调整。
　　3剪力墙墙肢分类
　　剪力墙的墙肢根据其截面“高厚比”（墙肢截面高度与宽度的比值）的不同，可分为4种形式，其分别为：普通剪力墙、短墙肢剪力墙、超短墙肢剪力墙以及柱形墙肢剪力墙。普通剪力墙的“高厚比”不小于8.0；短墙肢剪力墙的高度与厚度比在5.0-8.0之间；超短墙肢剪力墙的高度与厚度比在3.0-5.0之间。
　　（1）普通剪力墙：此种剪力墙特性优良，抵抗侧向荷载的强度高，能承受很大的水平方向荷载，在条件允许时，建议优先使用。
　　（2）短墙肢剪力墙：由于其具有肢短的特点，在进行建筑布置时，能有效减低墙体结构的自身重量，应用比较广泛，但其抗震性能较差，地震区应用经验不多，可用于整截面墙或整体小开口墙及联肢墙的墙肢中，考虑到高层建筑的安全，其数量不宜过多，规范对其有严格的限制。
　　（3）超短墙肢剪力墙以及柱形墙肢剪力墙：该两种类型的剪力墙由于墙肢更短，侧向刚度更弱，因此抗震能力也更差，往往是结构的薄弱环节，故在整截面墙中不宜采用，但可以用于整体小开口墙或联肢墙的墙肢中，因为有较强连梁约束，但如有可能，应尽量将墙肢做的长一些。
　　4连梁的设计
　　在剪力墙的抗外力体系中，连梁起到重要的作用，其是调整剪力墙侧向刚度和承载力的主要构件，连梁刚度的设计应该与墙肢相一致，不宜过大或过小。
　　在剪力墙设计中，要将联肢墙设计成延性剪力墙，就必须让连梁服从于墙肢，也就是说把受力体系设计成“弱梁强肢”的状态。在受力计算时，为了能更准确地确定连梁与墙肢的强弱关系，可根据高层建筑设计规范的规定将连梁的跨高比控制在5以内并根据墙肢长短适当调整。在抗震设计中，高层建筑设计规范规定：通过折减连梁的刚度或者调节弯矩，以达到缩减连梁刚度的设计值，从而实现降低连梁的承载能力的效果，并实现“弱梁强肢”。
　　另外，在设计墙肢较长的中矮墙或者矮墙时，按照经验和规范要求，我们应通过开洞的方法，将矮墙或者矮墙时分割成“高长比”大于2的若干片墙段，每片墙段之间用弱梁搭接，通过这样的方式，将各个墙段构建成延性剪力墙系统。
　　总结
　　通过对高层建筑剪力墙设计中若干问题的研究，将设计中存在的问题加以总结，对进一步提高剪力墙高层建筑的稳定性、抗震性以及使用的实效性有积极的促进作用。合理的剪力墙结构的设计，将直接影响到建筑物的安全使用与技术经济指标的高低。
　　参考文献：
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