剪力墙结构优化设计的思考

剪力墙结构优化设计的思考

卢仁丰

中国美术学院风景建筑设计研究总院有限公司浙江杭州310000

摘要：随着经济的不断发展，城市高层建筑越来越多，人们对建筑的安全性、经济性有了更高的要求。剪力墙结构是高层建筑中重要的结构类型之一，其优化设计对确保建筑的安全有着重要的意义，同时成本控制也是必不可少的考虑因素，还要进一步做到技术先进、经济合理、方便施工。因此，合理确定结构设计方案至关重要。本文针对剪力墙结构优化设计进行相关探讨。

关键词：高层建筑；剪力墙结构；优化设计；安全；经济；合理

引言：

在社会不断发展的过程中，人们的生活水平有了很大的提升，对居住环境有了更多的要求，其中建筑的安全性是其中首要考虑的因素。高层建筑剪力墙结构的设计对整个建筑工程的质量有着直接的影响。因此，设计人员需要对剪力墙结构设计的内涵有清晰的了解，采用科学合理的优化措施完善结构设计，从而确保结构的安全性、经济性、合理性。

1、剪力墙结构设计的重要性

在建筑高层化的形势下，建筑结构设计这项工作具有了更强的现实意义和实际重要性。剪力墙结构设计的重要性体现在其直接对建筑结构的安全性、经济性产生较大的影响。剪力墙结构设计需要遵循相应的基本结构设计准则，在设计的过程中应当特别重视结构平面布置，确保其能够更加符合现今高层建筑的建设需求和设计特点。

在设计阶段，需要根据手动计算以及结构计算模型对结构的合理性、安全性进行全面的计算分析，对较复杂的结构还需要使用多个结构计算软件进行对比分析。高层建筑需要抵抗水平荷载（主要是风荷载和水平地震作用）和较大的竖向荷载，一般来说层数越高设计难度越大（还要结合设防类别、抗震设防烈度和地基场地类别等），重点和难点都是在抗风和抗震设计，特别是抗震设计。一方面，增加结构的整体抗侧刚度可以抵抗水平荷载，减小结构位移；另一方面，刚度的增大会引起地震力增大。刚度小了不行，刚度太大也不好。因此，需要合理选择设计方案，确定合适的整体刚度，使结构设计做到安全、经济又合理。

2、剪力墙结构的设计原则

剪力墙结构设计人员在进行剪力墙结构布置时，需要根据具体情况对剪力墙结构的设计进行优化，确保建筑结构满足强度、刚度、稳定性三大要求。在剪力墙结构布置过程中应当首先确保楼面荷载以及结构自重可以通过楼板及梁传递到剪力墙上，而且传力方式要简单、直接。在这一过程中，结构布置本身具有着多种表现形式，通常要进行估算和结构试算。设计人员在对于竖向荷载进行计算时应当以其受荷面来进行估算，而在水平荷载计算时则应当主要是借助计算机来对其进行试算。通过这种结构受力情况的科学估算就能够有效地为设计人员后续的结构布置提供重要的基础数据。

在剪力墙布置过程中，非常关键的一个问题就是要保证结构受力的均衡，设计人员应通过调整平面布置，使质量中心尽量接近刚度中心以及加强结构周边部位的刚度（或削弱结构中间部位的刚度）来避免结构出现较大的扭转效应。

从剪力墙结构安全方面来讲，首先需要保障剪力墙具有承受竖向荷载的能力（强度要求）。同时在整体的结构体系中，剪力墙需要抵抗水平荷载（刚度要求）。因此在设计时需要对剪力墙的刚度与强度是否适宜进行综合分析。在进行剪力墙的平面布置时，要遵循简单、均匀和规则的原则，使剪力墙的设置能够满足其强度和刚度所需，并且能充分发挥其优势。在门窗洞口方面的设计应当保证上下之间整齐，并以成列的形式进行规则布置，从而使墙体与连梁在应力的分布上较为明确且更具规则性，这样的设计不仅在安全性上有所提升，同时也与当前常用的结构计算假定相符，因而具有良好的可靠性。

3、剪力墙结构设计的具体优化措施

3.1制定合理的剪力墙结构设计方案

在剪力墙结构的设计上，要对剪力墙的重要性以及安全责任意识有清晰的认识。在保障剪力墙结构安全、经济的基础上，还要根据工程现场的实际情况与施工需求，对剪力墙结构设计方案进行合理的选择。设计人员应当对剪力墙结构设计的步骤进行充分的了解，然后在此基础上科学选取墙肢的厚度与长度。与此同时，特别是住宅楼，除底部几层外，应当避免剪力墙的厚度大于填充墙厚度。在竖向布置时要避免因高度的不连续而导致的结构竖向刚度突变继而使结构的抗震性能降低，对墙体的混凝土强度等级也要根据轴压比的变化沿高度进行一定的调整。在优化设计的过程中还应适当考虑连梁以及边缘构件的设计。在连梁设计工作中应当选用合适的截面尺寸以控制连梁跨高比，如果连梁刚度过大，则需要设计人员对其进行适当的折减。与此同时，设计人员在连梁设计工作时应当允许其适当地出现开裂的情况，并且以这种开裂情况的存在将内力转移到剪力墙上来实现合理折减的目标。

3.2优化剪力墙平面布置

在设计过程中，设计人员需要对相关概念设计产生足够的重视，剪力墙的平面布置尽量遵循简单、均匀和规则的原则。在进行结构平面布置时，需要充分考虑建筑的使用功能，对剪力墙的位置进行合理的选择，应尽量选择不影响建筑功能的区域，如建筑隔墙处、楼梯间、电梯间等位置。首先，在建筑平面、竖向的结构布置时，需要充分结合建筑的特征进行墙体平面布置，根据对结构计算模型的分析，发现整体结构体系的薄弱部分并对其进行强化。同时，应沿着主轴的方向对剪力墙进行针对性的设置，从而能够有效发挥剪力墙结构的抗侧力效果。在布置的过程中，应避免采用单向布置的方式，应该尽量保持两个主轴方向的动力特性接近。对短肢剪力墙的数量严格控制，至少应满足规范的要求。在墙体平面布置的优化过程中，需要确保结构刚度的均匀分布，对平面凹凸较大或形体不规则部分的长度进行控制（建筑方案设计时就应考虑结构布置）。各墙肢的长度在条件允许的情况下，大部分的墙肢应尽量保持相近或相同。这样布置首先可以保证各墙肢分担的水平力相对均匀；其次，在某些区域可以布置同样的墙肢，使设计与施工都简单方便。要充分考发挥剪力墙结构的优势，采用对称、规则的结构，从而使剪力墙的整体性能良好。

3.3进行合理的成本控制

在高层建筑蓬勃发展的同时，人们对于其抗震性及经济性也越来越关注，为此则必须要对剪力墙结构进行分析和研究，通过结构优化的方式提升其安全性、合理性以及经济性。剪力墙结构设计优化的过程中，除了安全性，经济合理也是必须要考虑的问题。在剪力墙结构体系设计优化的过程中，为了使结构体系的作用能够最大程度的发挥出来，应对材料的力学性能充分加以利用。一方面能够充分发挥出建筑材料的力学性能，物尽其用。另一方面，能够很大限度的节省建设成本。通过建筑材料的合理应用、避免不必要的浪费，能够对建筑成本进行有效的控制。比如，在设计剪力墙结构体系的过程中，要将剪力墙水平分布钢筋与短肢墙中箍筋进行合理的分布、合并，在保证工程质量的前提下，减少钢筋的使用量，从而实现成本节约的目的。在高层建筑剪力墙结构体系中，除了必要的门窗洞以外，还需要进行结构洞的设计，因此在剪力墙设计时，某些部位应尽量选择长墙，减少结构洞的数量，降低建造所需的成本。

4、结语

总而言之，剪力墙结构对于保证建筑的安全性有重要的作用，在实际的工程设计时一定要依照建筑物的实际情况及具体要求对剪力墙的结构设计进行详细的计算分析和优化设计，以确保其既能实现造价的降低，也能满足建筑内部的可使用空间，并且在抗侧移以及抗震性能上也能符合规范的要求。因此，合理选择结构设计方案就显得至关重要。只有充分领会概念设计的重要性，熟练掌握规范，加上一定的实际设计经验，才能使结构设计做到安全、经济又合理。

参考文献：

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