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摘要：现阶段，高层建筑是城市建筑的主流发展趋势，并且也逐渐成为城市现代化的主要象征，出于满足高层建筑经济性、适用性、安全性要求，深入研究剪力墙结构设计及应用实践尤为重要。在高层建筑中，由于剪力墙结构具备用钢量少、刚度大等优势，其广泛应用于高层建筑结构设计中。基于此，本文以某一建筑工程为例，重点分析剪力墙设计思路，并对其具体应用实践加以探讨分析。
关键词：剪力墙结构；高层建筑；设计思路；应用实践
引言
近年来，我国经济高速发展，人均占有土地面积逐步缩减，导致建筑楼层越来越高，建筑工程的施工安全与质量问题应得到重视，特别是高层住宅建筑，其极易遭受风荷载和地震力的破坏，如果设计不合理，施工达不到要求，就会存在安全隐患。因此，应该做好建筑剪力墙结构设计工作。严格依据规范标准设计合理的建筑剪力墙结构，在确保高层建筑的可靠性、安全性的同时，为使用者的生命财产安全提供保障。
1 工程项目简介
某高层建筑建设层数一共是18层，地面以上共17层，地下室1层，建筑高度为54m，总长72m，建筑工程长宽比例是3.2，高宽比例是2.7，该工程采用剪力墙结构。在建筑工程实际施工过程中，剪力墙结构重点承载建筑物自身所具有的水平及竖向承载力，具有较大抗侧刚度，并且通过刚性结构体系抵抗水平侧力。
2 剪力墙类别
其主要优势为具有较大的平面内抗侧刚度，如果刚度适中且结构体系合理，则具有理想的延性。在具体设计时。依据要求开设洞口，能否开洞与开洞尺寸大小，一般分为以下几类：
（1）小开口剪力墙。在整墙面积中开洞面积＞15%且＜30%。结构变形主要是弯曲变形。
（2）整体剪力墙。剪力墙不存在洞口或者开洞面积占整墙面积≤15%。洞口对剪力墙内力分布造成的影响极小，能够将整片剪力墙视作悬臂整体墙。
（3）壁式框架。洞口大于联肢墙开洞尺寸，随之减小墙肢刚度，增加连梁刚度，这时剪力墙内力分布和框架结构相似。
（4）联肢剪力墙。布置成列规则洞口的墙。其主要受力特征是破坏截面整体性，但没有改变墙体整体受力特点。
3 剪力墙设计遵循原则分析
3.1墙体的受力分析
剪力墙结构设计时应详细研究墙体的混凝土应力。针对其平面结构而言，不仅墙体压力中会涉及水平方向的剪力和弯矩，而且也包括竖向压力。因此，在设计剪力墙结构时应合理分析实际受力情况，应对剪力墙应力重点研究，保证剪力墙的质量安全和使用效果。
3.2连续性
因为结构形式多样化，在进行正式设计前，应结合工程施工环节与使用要求，选择合理的结构形式。在建筑工程中剪力墙结构是最为常见的，应遵循连续性原则设计剪力墙结构，避免因刚度突变而造成建筑位移过大的问题。在具体设计过程中，结构构件还应遵循自下而上布置原则，避免其刚度突然发生变化，对建筑结构造成安全影响。
3.3墙体延性
对墙体延性进行重点分析，其直接关乎剪力墙结构自身的稳定性。因此，在进行结构设计时，如果剪力墙存在设计质量问题，无论是过薄还是过高，均会对连梁造成影响，进而发生张拉和弯曲问题。所以，建筑结构设计时需重视设计质量，尽量不要选用墙体长度＞9m或者是高度＜2m的剪力墙。需要保证剪力墙的安全性能，防止发生曲折问题。与此同时，其中一部分截面还应该设置洞口，将整个墙体划分成若干单元进而构成连接墙，使剪力墙发挥更好的延性。
4 剪力墙结构设计影响因素分析
4.1墙体平面形状
在进行高层建筑工程结构设计时，还应对墙体平面形状进行科学分析，特别是对剪力墙结构设计，建筑结构工程师应制定合理的设计方案。在对方案进行制定的过程中应依据建筑有关设计要求和相应规范图集标准。
在施工过程中，由于施工人员未有效处理墙体的平面形状，进而降低了剪力墙结构设计的合理性与科学性，并且会提高整体工程施工成本，严重影响施工进度，阻碍建筑工程施工的顺利进行。
4.2优化设计方案
在设计过程中还应严格检查使用的施工材料，保障剪力墙结构整体设计质量，提升工程的可靠性和稳定性。实际上，很多设计人员未能深入了解建筑施工现场具体情况，未能对建筑工程设计合理考量，这样将导致设计方案得不到优化处理，致使现实和设计之间的差别较大，从而影响剪力墙结构设计质量。
关于建筑结构优化设计，即通过优化数学原理处理实际工程设计问题，在诸多可以符合安全性、适用性等要求的可行性方案中选定最佳方案。主要流程为“假设—分析—搜索—最优设计”。通过设计可以充分发挥材料自身受力性能，让设计方案更经济安全。通过数学规划法获得的剪力墙结构设计方案，首先要将实际工程结构变为数学模型，明确求解过程所需要素，即目标函数、设计变量、约束条件。针对剪力墙结构，应将设计变量定为剪力墙截面几何参数，例如尺寸或是面积；目标函数应依据优化问题来选择，针对混凝土结构其目标函数可选取工程造价，以此求解极值，最后选择最优方案。对于约束条件主要分为等式约束；不等式约束，保证建筑结构可以满足适用性、安全性的强度与刚度；满足规范要求，例如最小配筋率等。这样便能获得结构设计优化数学模型。
4.3剪力墙平面布置
首先，在剪力墙结构设计过程中，由于施工单位未能提高对施工质量及安全性的重视，仅是关注工程整体经济效益，在制定施工方案时缩减支出，对结构施工质量带来影响。其次，如果没有合理分析剪力墙的平面布置设计，造成施工平面无法与设计墙体保持一致，影响材料的应用，更严重影响结构的整体刚度，甚至会造成墙体裂缝等，影响结构整体承载力。总之，剪力墙结构应用价值如果没有体现，建筑工程的经济效益则会降低。
5 高层建筑剪力墙结构设计思路要点分析
5.1严格控制结构参数
进行科学合理的结构布置，应做好有关参数控制，例如刚重比、位移比、侧向刚度比、周期比。位移比主要是指高层建筑中，本楼层平均值和其竖向构件自身水平、层间位移间的比值。
对结构布置所带来的自身不规则性加以限制，可有效避免出现较大偏心力，避免结构发生过大的扭转效应。位移比限制的条件是刚性楼板，在考虑偏心力的前提下，竖向构件的位移比应≤1.2。
5.2优化布置剪力墙结构
剪力墙结构主要承担竖向承载力和水平作用力，剪力墙应尽量对称布置。应合理布置竖向承载构件，尽量使建筑对称，避免产生过大扭转效应。
具体考虑切入点如下：
（1）科学选取短肢剪力墙结构。在建筑设计过程中，短肢剪力墙结构虽然可以灵活布置，最大限度降低建筑结构重量，但是其所具备的抗震性能较低，过多的布置短肢剪力墙会对结构安全造成影响。因此，剪力墙结构设计时，短肢剪力墙应进行科学布置。
（2）避免出现独立小墙肢。建筑结构设计过程中，独立墙肢会提高施工难度，可通过合并洞口等方式，防止出现独立墙肢。
（3）保证剪力墙结构整体刚度力度。剪力墙结构具有较大刚度，施工周期较短且地震力较大，会消耗大量施工材料导致工程不经济。此外，较大地震力会使墙肢和连梁超筋，造成截面无法满足抗剪力的标准，增加截面设计的难度。所以，应通过有效控制整体剪力墙结构的刚度力度，保证达到位移限值要求。
5.3计算剪力墙结构及其配筋
（1）连梁。剪力墙只有具备相应的刚度与强度，才可以确保墙体和连梁的协调工作。一般情况下，连梁可以起到增强剪力墙刚度、和墙肢紧密连接的作用。所以，在计算高层建筑结构时，应对连梁刚度进行适当折减，并且折减值应≥0.5，具体取值范围保持在0.5至1.0。要是在折减刚度之后，结构的斜截面受剪和正截面受弯承载力不够，可以采取减少整体刚度、降低连梁高度等方式，削弱地震造成的影响。
（2）剪力墙的墙身。剪力墙有竖向及水平向钢筋，在进行计算配筋和构造配筋时需明确其具体用量，应有效验算抗弯承载力、抗剪承载力。其钢筋配置要求如下：对于抗震等级为一、二、三级的建筑，水平向和竖向配筋率≥0.25%；对于抗震等级为四级或是非抗震设计时，应保证配筋率≥0.2%。剪力墙的水平与竖向分布钢筋的间距宜小于等于300mm，钢筋直径应≥8mm。
6 高层建筑结构设计剪力墙结构具体应用分析
6.1墙肢的竖向及平面设计
（1）竖向设计。
高层建筑工程施工中，剪力墙墙肢竖向设计时，应遵循的原则是上下对齐，首先符合力学原理并且形成良好的剪力墙系统，而且结构相对安全与稳定，在水平荷载上也具有较大的承载力。此外，施工工艺简便且具有明显经济性。在某些高层建筑工程设计中，可能存在剪力墙洞口错位排列的问题，应该依据实际情况进行力学分析，保证剪力墙结构的合理性，保障工程施工安全与质量。
（2）平面设计。根据建筑平面具体使用功能要求，对剪力墙的墙肢进行合理设计，从而能有效抵抗风荷载与地震力。在计算中针对质量中心靠近刚度中心进行调节，以此降低扭转位移比。不能单向布置剪力墙，单向剪力墙抗震能力薄弱，尽量沿两主轴双向布置剪力墙，以确保剪力墙的抗震性与稳定性。在高层建筑结构设计时，可以对齐排列各个剪力墙，这样能形成完整的抗震抗风体系，将剪力墙结构的最大作用发挥出来，并且合理的剪力墙结构布局也能节约工程造价。
6.2合理设计边缘构件
依据不同的剪力墙结构，在开洞的两侧，墙体的两端设置约束边缘构件，能有效提高结构自身的变形能力，从而提高其抵抗风力与地震力的能力。依据现行规范规定，如果位置、墙肢轴压比、建筑物自身的抗震要求等不同，则应该设计不同的边缘构件。其主要形成有两种，分别是约束边缘构件和构造边缘构件。在设计高层建筑工程时应结合实际情况，选择合适的边缘构件，并明确边缘构件的尺寸与配筋大小。
6.3设计竖向、水平向钢筋
设计剪力墙的水平向与竖向钢筋，会涉及以下几方面内容：
（1）设计前应计算与分析各种数据，依据实际情况使用合理的钢筋型号，保证剪力墙结构的竖向及水平向受力合理。
（2）建筑工程中很多项目采用钢筋混凝土结构，而混凝土的特性是极易开裂，在处理此问题时，首先要保证混凝土的科学配合比和强度，其次调整剪力墙竖向及水平向钢筋布置，应选择相对细密的配筋并适度提高配筋率，合理的配筋率使剪力墙发挥其最大的延性，从而提高剪力墙水平向与竖向承载力，抗风与抗震性能良好。
6.4连梁设计
连梁是剪力墙结构的关键构件，连梁的设计质量和剪力墙的整体设计效果息息相关。风力与地震力极易造成连梁破坏，而且脆性较高，所以在结构设计中，通常会把连梁设计为延性较高的弯曲破坏模式，以连梁耗能破坏保证剪力墙结构的整体延展性，而且连梁各个部分的受力也较均匀。至于配筋，需依据具体计算，选用合适的钢筋作为连梁配筋，如果连梁的跨高比不超过2.5，应设置集中对角、交叉斜筋或者是对角暗撑来提升延性。
7 效果设计
从本文提供的工程项目经验来看，在高层建筑剪力墙结构设计时，重点关注剪力墙的数量、合理布置、构造措施。在优化处理时应格外注意，如果是地震力偏小的情况下，具体计算时可能会出现结构不满足顶点位移限值的要求，从而计算结果为构造配筋，最后显示结果是“安全”的假象。为了避免这一状况，在结构设计时应严格遵循《建筑抗震设计规范》GB 50011和《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3等规范要求，明确剪力墙结构相关参数的取值，使结构整体满足可靠性与稳定性，并满足高层建筑剪力墙结构设计要求。
8 结束语
本文针对具体建筑工程进行初步讨论与研究，基于工程案例当中的剪力墙结构设计经验，在后续结构设计中应重点关注以下几方面：
（1）高层住宅建筑设计适宜采用剪力墙结构体系，但剪力墙结构对高度有限制要求，如果建筑超过一定高度，其结构安全性无法得到保证，并会提高工程造价。为了弥补这一问题，应将研究重点放置于施工工艺、结构类型、建筑材料等。
（2）管理剪力墙结构竖向布置，应首先满足规范当中的高宽比标准。在进行抗震设计时结构刚度应是由下至上逐步减小，不应产生刚度突变。首先，通过分段改变混凝土强度与构件截面尺寸来改变竖向刚度，但为了保证方便施工不要进行过多改变；其次，从结构受力方面分析，要是改变次数较少，则会致使两次变化出现太大差距，极易发生刚度突变。所以，有关设计应通过合理布置结构来规避该问题。
（3）通过剪力墙布置优化对结构刚度加以控制，并展开计算分析，还应考虑其他影响剪力墙结构受力的因素，例如层高、墙厚、层数等相关影响因素。另外，设计人员应做好勘察工作，从而为建筑工程整体质量的提高创造条件，推动我国建筑行业进一步发展。
参考文献：
[1]孙旺.剪力墙结构在高层住宅建筑结构设计中的应用论述[J].中国住宅设施，2019（08）：50-51.
[2]关志荣.剪力墙结构概念设计在建筑结构设计中的运用[J].黑龙江科学，2020，11（02）：70-71.
[3]李靖.高层建筑剪力墙结构优化设计分析[J].低碳世界，2016（01）：116-117.
[4]杨现东.高层建筑剪力墙结构优化设计研究[J].四川建材，2016，42（02）：47-48.
[5]王和平.高层建筑剪力墙结构优化设计分析探讨[J].四川建材，2008（05）：85-86.