高层建筑框支剪力墙结构设计优化

高层建筑框支剪力墙结构设计优化

章成辰

章成辰

浙江当代建筑设计研究院有限公司

摘要：本文通过对高层建筑框支剪力墙结构设计原则及相关的工程实例进行了简要分析，进而浅要探究了高层建筑框支剪力墙结构设计优化的影响因素。

关键词：高层建筑；框支剪力墙；结构设计；优化

房地产开发商为降低建设成本，在结构用钢量和混凝土用量的管理上均采取相关的控制措施，在保证建筑结构安全和使用功能下，寻求优化资源配置的方法，并且在确保建筑结构安全赘余度时，进行结构设计的优化，以便在设计时完善设计方案，促使建筑技术与经济效益有机结合。高层建筑的框架柱截面较大，普通级别的钢筋混凝土框架结构满足不了建筑使用要求，采用框支剪力墙结构将能规避结构构件的突出风险，为节约建筑空间占用量提供了有利条件，利于灵活设计建筑结构以及保障建筑的使用功能。剪力墙结构与其他建筑结构在设计方案的思路上具有显著性差异，前者侧重于建筑结构和建筑的抗震性能，后者则主要注重建筑的使用功能。因而优化高层建筑框支剪力墙结构设计受到社会的广泛关注。

一、高层建筑框支剪力墙结构设计的原则

（一）整体性原则

现今的高层建筑在单元楼内都会进行电梯、楼梯以及竖向管道等结构设计，这剪力墙结构设计在建筑领域常被称为筒体结构。在进行高层建筑剪力墙结构的外部结构受力方面设计时常要求设计师对高层建筑的的平面有着大概的认识，并结合相关数据制出较为完善的平面设计图，进而选用合理的钢筋混凝土结构进行相关的结构设计。在进行剪力墙结构设计时需遵循整体性原则，在设置墙肢之间的连系梁时需注意相关的问题，同时在梁上砌筑时有关墙体的填充问题需选择较为轻便的材质，以便保障结构体系的完整性。

（二）空间性原则

框支剪力墙在进行相关设置时应注意建筑的空间结构，注意双向剪力墙的刚度均匀，促进剪力墙结构的质量提升和使用功能的效果显著。在设计剪力墙结构时还需侧重相关的细节设计。在对剪力墙结构进行设置时需反复检测对高层建筑侧刚度的影响力，保障剪力墙高度的连续以促使建筑结构较为稳定，设计剪力墙结构在遵循空间性原则的条件下还需减少甚至不涉及转角窗方面的设计。

（三）谨慎性原则

在剪力墙结构中对门窗洞的设计上，应注意门窗洞上下方的对齐问题，以便连梁和墙肢较为清晰的辨认。因而建筑设计师还应具备较高的职业素养，遵循谨慎性原则，在建筑结构设计完成后，认真检查设计方案，弥补其中的不足以便完善建筑结构设计方案，降低工程建设成本，提高经济效益。

（四）全面性原则

剪力墙结构的承载能力强，同时在平面内部具有较大的刚度，展现出平面外部刚度较小及承载力不强等特征，这些有关剪力墙结构设计的细节问题都需建筑设计师进行全面的考虑，避免剪力墙结构平面之外出现弯矩现象。规避剪力墙结构的弯矩风险需将楼面梁合理放置在一字型剪力墙和规范剪力墙墙肢与楼面梁的连接流程，及时矫正其中发生的结构失误。

二、高层建筑框支剪力墙结构设计的工程实例分析

选取某工程作为高层建筑结构优化的实例分析对象，该工程主要涉及某小区的高层住宅楼结构设计，共计18层楼层，地下一层，总体高度为54m，地下一层室高为3.4m，地上每层楼高为3m，建筑结构形式选择剪力墙结构体系，框架剪力墙结构主要应用在转换层以上，在工程安全等级的划分上可计划为二级，楼层的使用周期为50年，抗震烈度在设计考虑方面可为7度，基本地震加速度则为0.01g，在抗震等级上的设计为三级。在工程施工过程中建筑基础主要选取桩基础设计，地基基础设计等级划分为乙级，在建筑地基的19m范围均采用无液化土层，便于建筑结构的稳固性较强。建筑结构中的主要混凝土材料强度等级均为C30，柱与墙的主要钢筋架构选择HRB335级钢筋，梁与板的钢筋结构使用HRB400级钢筋。该工程属于A级高层建筑结构，在设计参数选取上需精确选值，便于计算模型能够真实、合理的模拟现实中工程情况。在建筑结构设计方案完成后，设计师可建立相应的PMCAD结构模型，在对各种结构构件的计算分析上可选择SATWE软件，而对建筑结构的基础设计方面则可采用JCCAD软件。在进行结构分析时需以一标准层作为参照基准，注重模型中连接梁的设置，满足剪力墙结构轴压比的要求，促使结构整体的计算指标符合相关的规范要求。

三、高层建筑框支剪力墙结构设计优化的影响因素

（一）侧重建筑结构的抗震等级

高层建筑进行框支剪力墙结构的设计时，其应依照相关的规范要求明确建筑抗震的等级，建筑设计师在分析整个建筑的抗震能力时还应结合所设计的建筑特点，对不同的建筑结构体系应采取适当的建筑结构设计方案，以便降低建筑结构的每个构建部分对整体抗震能力的影响力。转换层设计对于剪力墙结构体系来说，影响力较大，在保证建筑结构的抗震性时可依据有关的规章制度和建筑所处的地理位置进行结构的科学、合理的分析，以便设计出完善的结构设计方案。依照有关的转换层设计规定而言，三层以上的楼层需在转换层设计过程中增加框支柱的抗震等级，并且在剪力墙底部加强位置上作出相应的等级提升，确保剪力墙结构的横向抗剪能力较强且稳定墙体结构。在对建筑结构的抗震等级方面的设计考虑时还应结合建筑材料的不同特点，有针对性选取相关材料，以规避墙体斜裂缝后的脆性剪切风险。建筑结构的水平筋对整体结构的抗震水平起着重要作用，因此在优化高层建筑结构设计时还应恰当增加结构的水平筋数量。

（二）建筑结构竖向设置

高层建筑剪力墙结构的设计在竖向设置方面应保障侧向刚度在下大上小的范围之内，适时选择相应的设计途径降低刚度突变的几率，在进行转换层建筑结构设计时需结合实际情况进行设计，不可生搬硬套。在建筑结构竖向设置时，需加强下部结构的设计，减弱上部结构的刚度设计，减少建筑结构中薄弱层的出现次数。在设计剪力墙结构的厚度时亦须注意底部与上部的区别，应增强底部厚度，相应地减小上部厚度，为建筑结构的承载能力提供有力条件。

（三）平面结构布局

设计建筑结构的平面布局时注重核心筒体结构的设计之时，优化剪力墙其他周边的平面布局，确保剪力墙结构的受力程度较为均匀，提高建筑结构的抗扭水平。在设计高层建筑的最大水平位移与层间位移的比值时应在事前进行有效地观察和计算，以提高比值合理范围的管理控制水平，保障建筑结构的整体质量。

（四）优化框支剪力墙结构设计

高层建筑剪力墙在设计转换层的剪力墙厚度时应将其控制在291mm—398mm左右，上部建筑结构的厚度则可在291mm之下。短肢剪力墙在高层建筑剪力墙结构的设计过程中应要避免使用，若有相关的要求，建筑设计师应以其他结构形式替换短肢结构墙的功能，以保证高层建筑的稳固和抗震。在优化框支剪力墙结构设计时还应注重高层建筑的刚度中心，立足于高层建筑的整体结构，适当调整建筑刚度，确保楼梯与电梯之间的剪力墙结构较为合理。并且还可借助于小管弄井设备进行剪力墙的结构设计优化，降低建筑东侧刚度的集中度和梁的跨度。

（五）强化建筑结构

在该建筑的二层转换层楼面中使用双向配筋配置，单向配筋率的范围应控制在相关规范要求的0.25%以上，增加上层楼板130mm的厚度；并在屋面楼板和阳角之处予以加厚措施，增强配筋率以增强建筑结构的整体抗震性能，悬挑板的阳角出还可根据实际需求增添防晒蓬的设置，以保护楼板完整。地上楼层与地下一层的顶板之处，填充的土层厚度应在1.4m作用，高差应适当调整，符合相关规范。梁截面的加腋处理对于高低梁节点结构来说有着强化作用，剪力墙扶壁柱应按照一定的规范要求进行合理设置。

结束语

综上所述，高层建筑框支剪力墙结构设计的优化有利于增强结构自振周期，促进结构整体刚度的合理化。在剪力墙结构设计领域具有较强的复杂性和逻辑性，设计师应全面、合理地考虑影响建筑结构的因素对建筑质量的影响程度，不断在实验或者实际考察中优化剪力墙结构设计方案，以便保证建筑结构的质量，延长建筑结构的使用周期。

参考文献：

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[3]安鹏飞.浅谈房屋结构设计中的建筑结构设计优化[J].建筑设计管理，2015，01：77-79.