高层建筑剪力墙结构优化设计论文

摘要：剪力墙结构在设计的过程中，方式和方法有很多，如果没有优化环节，就会影响结构设计的合理性、经济性、舒适性。进行设计优化的方法有很多，进行设计优化的内容也很多，但是无论哪种方法，那种内容，只要能使其更安全、更合理、更经济，就值得借鉴。

前言

在剪力墙结构设计优化中，根据剪力墙的特点，来进行优化设计。剪力墙的最大特点就是其平面内刚度以及承载力都比较强，但是平面外两者的性能就比较差，根据结构的特性我们从整体到细节各个方面针对设计的合理性及舒适性、经济性进行优化设计。

1高层建筑剪力墙结构的概念设计

一幢高层建筑犹如一根竖直嵌固于地基的开孔、带横肋的巨型空间构架式的“悬臂梁”，它不仅要承受“梁”内所有重力荷载的作用并保持稳定，而且要承受风荷载、地震等水平荷载的作用并保持一定的刚度，避免过大的水平位移和振动，保证“梁”内各种建筑装饰、填充墙等不受损坏，以提供“梁”内工作生活的人们有一个舒适的环境。

高层建筑结构同时承受垂直和水平荷载。在低层结构中，水平荷载产的内力和位移很小，在设计中通常不起控制作用。而在高层建筑中，水平荷载和地震作用将成为控制因素，随着建筑高度增加，位移增加最快，弯矩次之，因此高层建筑设计不仅要有较大的承载能力，而且需要较大的抗侧刚度，以保证水平荷载产生的侧向变形控制在一

定范围内。剪力墙结构在水平力作用下侧向变形的特征为弯曲型，剪力墙结构承受竖向荷载及水平荷载的能力都较大，其特点是整体性好，侧向刚度大，水平力作用下侧移小，并且由于没有梁、柱等外露与凸出，使用上便于房间内部布置；缺点是不能提供大空间房屋，使用上空间布局相对较差。剪力墙结构由于承受竖向力、水平力的能力均较大，横向刚度大，因此可以建造比框架结构更高、更多层数的建筑，但是只能以小房间为主的房屋，如住宅、宾馆、公寓，而宾馆中需要大空间的门厅、餐厅、商场等往往设置在另外的建筑单元中。

为了适用任何方向的水平力（或地震作用）因此对于矩形平面，剪力墙在纵横双向均应设置；对于圆形平面，剪力墙应沿径向及环向设置；三角形平面，宜沿三个主轴方向设置剪力墙。

2高层建筑剪力墙结构设计优化

剪力墙结构是高层建筑最普遍使用的一种建筑结构形式，为能够有效的提高高层建筑结构的抗震性能，同时兼顾经济合理性，需要在设计方案及施工图设计过程中进行不断地优化。在进行设计优化的过程中，可以从建筑的宏观整体性及结构布置、具体计算参数和指标控制，及充分利用规范规定构造要求等等，这几个方面来考虑：

（1）宏观上，高层建筑作为一个整体性结构，根据建筑的高度及空间功能分布来考虑确定其结构体系。剪力墙结构从整体上要按规范规定的最大适用高度及最大高宽比来控制，此部分设计越合理则结构的经济性就较好，对整个结构计算时参数也会更合理；结构平面布置上宜简单、规则，避免刚度、质量和承载力分布不均匀，控制好长

宽比L/B、平面凹进尺寸尽量控制在30%以内，楼板开洞面积宜控制在30%以内；竖向剪力墙抗侧力构件宜连续布置，避免有过大的外挑和收进，收进时H1/H宜大于0.2，收进后的平面尺寸B1/B不宜小于75%，若是外挑则B1/B不宜大于1.1，且水平外挑尺寸a不宜大于4m。

（2）剪力墙在平面上的具体布置宜沿两个主轴方向或其它方向双向布置，形成空间结构，两个方向的侧向刚度不宜相差过大，能有效的提高高层建筑的抗震性能；剪力墙平面布置时宜均匀，太紧密会导致刚度分布不均匀，抗震性能差，重量大，不经济；剪力墙不宜过长，过长的剪力墙受弯后产生的裂缝宽度会较大，墙体的配筋容易拉断，因此较长的剪力墙宜设置跨高比较大的连梁将其分成长度较均匀的若干墙段，各墙段的高度与长度之比不宜小于3，墙段的长度不宜大于8m；短肢剪力墙抗震性能较差，因此在高层住宅结构中短肢剪力墙布置不宜过多。

（3）剪力墙构件从上到下宜连续设置，剪力墙洞口的布置会明显影响剪力墙的力学性能，规则开洞，洞口成列、成排布置能形成明确的墙肢和连梁，应力分布比较规则，与计算软件的计算简图比较符合，设计结果安全可靠；错洞剪力墙和叠合错洞剪力墙的应力分布复杂，计算和构造都比较复杂和困难，目前除了有限元方法外，尚没有更好的简化方法计算错洞墙，不考虑混凝土的抗拉作用，按应力进行配筋，并加强构造措施。

（4）主要计算参数及指标的控制。对结构的扭转效应主要从两个方面加以：a.楼层位移比的控制，A级高度高层建筑不宜大于

该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍；B级高度高层建筑及超过A级高度的混合结构及高规第10章所指的复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.4倍。注意位移比计算时楼层位移取的是考虑偶然偏心的“规定水平地震力”。b.结构的抗扭刚度不能太弱，关键是结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期比Tt/T1， A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑及超过A级高度的混合结构及高规第10章所指的复杂高层建筑不应大于0.85。此项指标主要是通过调整剪力墙布置来调整指标使其满足要求。

按规范控制位移角限值。高层建筑层数多、高度大，为了保证高层建筑结构具有必要的刚度，应对其侧向位移加以控制，实际上就是对构件截面大小，刚度大小的一个宏观上的指标控制和调整。规范规定高度不大于150m的高层建筑其楼层层间最大位移与层高之比不宜大于1/1000。此项指标主要是通过调整剪力墙布置及剪力墙墙肢的长度和厚度来调整指标使其满足要求。

结构任一楼层的剪重比应符合规范要求。此条是出于对结构安全的考虑，当剪力系数略小于规范规定，则直接乘以增加系数以调整剪力值；当剪力系数与规范规定相差较多时，则结构选型和总体竖向构件的布置需要重新调整使之满足要求。

抗震设计时，剪力墙结构的侧向刚度比和受剪承载力比宜控制好，尽量的避免形成薄弱层。本层与相邻上层的刚度比不宜小于0.7，与相邻上部三层刚度平均值比不宜小于0.8；A级高度高层建筑的楼

层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80%，不应小于相邻上一层受剪承载力的65%，B级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不应小于其相邻上一层受剪承载力的75%。此项指标主要是通过调整各层剪力墙墙肢的长度及截面厚度来调整指标使其满足要求。

高层剪力墙结构刚重比的控制。刚重比是结构整体稳定性的一项重要指标，而结构的整体稳定性是高层建筑结构设计的基本要求，研究表明，高层建筑混凝土结构仅在竖向重力荷载作用下产生整体失稳的可能性很小，主要是控制在风荷载或水平地震作用下，重力荷载产生的二阶效应不至过大，以免引起结构的失稳、倒塌。刚重比若不满足高规规定的最低要求，应调整剪力墙布置及墙肢长度和厚度以增大结构的侧向刚度。

单片剪力墙构件的稳定性控制。单片剪力墙构件应符合高规附录D的墙体稳定验算要求，并应满足剪力墙截面最小厚度的规定，其目的是为了保证剪力墙平面外的刚度和稳定性能。墙体稳定性验算可以通过计算软件来计算。

连梁截面的选择要适宜。连梁是典型的弯剪构件，由于剪力墙平面内的侧向刚度很大，在水平荷载作用下，连梁中产生的弯矩和剪力随截面的增高而剧增，往往使该截面无法承受，为了使剪力墙承担起大部分的水平荷载，避免连梁过早的失效而引起整体结构的破坏，该连梁的截面高度不宜太大而应尽量的加大其净跨度。

（5）充分利用结构的构造要求，将构造要求最大性能化，使其

经济性更为合理。

剪力墙结构中剪力墙竖向构件的数量、长度、厚度及剪力墙的分布钢筋，剪力墙边缘构件的配筋直接影响着工程造价。轴压比宜接近规范规定的轴压比限值，充分的利用截面的性能，截面的大小在满足各项指标的条件下，尽量的小。剪力墙的受力筋是由边缘构件的墙端钢筋和墙体的分布钢筋组成，分布钢筋的数量很大，直接影响着钢筋用量，因而分布钢筋的间距和截面可以按构造要求配，其余的抗弯受力由边缘构件的墙端钢筋补足。

楼盖厚度选择要适宜，底筋为通长筋，取构造筋与计算筋中的较大值。上部筋若为通长筋则可取构造筋为通长筋，不足处加附加筋。

3结语

综上所述，可知对高层建筑剪力墙结构进行优化设计非常重要，因为剪力墙结构在设计的过程中，方式和方法有很多，如果没有优化环节，就会影响结构设计的合理性、经济性、舒适性。进行设计优化的方法有很多，进行设计优化的内容也很多，但是无论哪种方法，那种内容，只要能使其更安全、更合理、更经济，就值得借鉴。

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