陈丽好
云南能投艺科工程设计有限公司 650000
摘要：高层住宅凭借其占地面积小、容量大、土地使用率高等优点，越来越受到政府的鼓励和开发商的青睐，高楼大厦已经成为高度城镇化的代名词。目前，使用钢筋和混凝土建造的剪力墙结构是主要的高层住宅设计形式，其具有承载力高、稳定性强、应用范围广等特点，然而，随着房地产市场的高速发展，越来越多的开发商对高层住宅的经济成本提出了更为严苛的要求，这就使得设计师必须采取更加有效的措施来减少钢筋混凝土用量的同时，还能保证建筑的承载能力和稳定性。因此，高层住宅剪力墙结构的优化设计、寻找更为合适的结构力学模型是当今高层住宅设计的重中之重。
关键词：建筑结构设计；高层住宅；剪力墙结构
前言
在城市建设发展过程中，随着城市用地日益紧张，高层建筑越来越多，如何进一步提升高层住宅建筑的整体质量成为当前建筑行业需要认真探索的问题。高层建筑工程建设其结构的稳定性非常重要，在建筑结构设计中，剪力墙结构的应用较为广泛，对于提高高层建筑整体结构的稳定性有很好的帮助。
1剪力墙结构形式特点
剪力墙又称抗震墙，该结构形式由于在承受外力的情况下所受侧向变形小，承载力大，延展性较好，因此其抗震性能相对于其他常规结构体系而言也更好一些。但是剪力墙结构在进行平面布置时会有一定局限性，其墙体间距较小，空间感受会显得稍微局促，因而广泛应用在高层住宅、酒店、公寓等建筑中，而公共建筑中应用较少。另外，剪力墙结构由于承受竖向力和水平力的能力较大，且侧向刚度大，因而建筑物建造的层数、高度要比框架结构更多、更高。由于剪力墙结构很少有梁、柱外露凸出部分，室内空间会显得更为简洁、宽敞，但剪力墙作为承重体系而不能进行拆改或破坏，对室内布局调整有一定的局限性。但随着短肢剪力墙结构的应用越来越广泛，室内布局改造的灵活性得到提高，但有试验研究表明，短肢剪力墙的布置是以降低整个结构受力性能为代价的，虽然降低幅度较小，但在设计中还需根据建筑物整体情况慎重选择。
2高层住宅结构剪力墙优化设计可能遇到的困难和挑战
2.1后期优化难度高
许多高层住宅初始设计不合理,例如剪力墙横向分布不对称、纵向分布错位等,导致建筑稳定性差、施工困难等问题,导致后期优化难度较高。
2.2设计周期短
快节奏的社会环境影响了生活的方方面面,在建筑设计行业中,越来越短的设计周期需要设计师具备一定的工作经验,更加考验设计师的创造力、耐心和体力,是当前高层住宅剪力墙设计优化改进所面临的挑战。
3剪力墙设置要点
3.1双向设计和防止侧移的坚固性能
对于高层建筑来说,拥有足够的空间是提升居住舒适度的重要保证,所以在设计剪力墙建筑结构的时候,应采取双向选择的方式,确保足够的使用空间。在设计抗震剪力墙系统的时候,也应当尽量不采用单向的形式,而且双向剪力墙对侧移应力的抵御能力应当相似,也就是自振周期应当基本相同。同时,由于剪力墙一般需要具备抵御侧移的良好坚固性和承担很大的承重力,所以在设计剪力墙体的时候也不要过于密集,以保证剪力墙结构侧向的坚固程度适中,从而使剪力墙结构的自身重力减少,确保其增强抗震性能。
3.2确保纵向坚固程度匀称
科学地设计剪力墙结构可以有效地增强抵御侧移的坚固程度,如果剪力墙的高度有间断,就会使坚固的性能瞬间发生改变,因而在施工设计的时候最好从上而下地进行。顺着墙体边界的高度可以适当增加厚度和调整混凝土的级次,也可以对墙肢进行适当的削减,以保证顺着边缘的高度提高缓冲抗侧移的坚固性能。
3.3设计好墙肢高度和宽度的比例
为防止出现比较脆的剪力损害,可以设计成延性结构。特别是在设计抗震的剪力墙结构时,这种延性更符合要求,一般中墙高度宽度的比例最好是大于2,如果剪力墙的长度大,可以利用增加的洞口使其变成若干个比较匀称的单独小墙,联肢或者整体的均可,这样也能达到高度宽度比例不小于2的要求。
3.4设计剪力墙洞口应当注意的问题
增加剪力墙的洞口,应当注意以下三点：
（1）洞口应规则排列,墙肢和结构梁应清晰,使其具备合理的应力区间,同时也满足常规的计算简图标准,但是在设计洞口的时候墙肢的坚固程度一定要接近。
（2）如果洞口发生了错开或者叠合,出现了开洞不规则的情况,由于承受的应力具有很大的复杂性,会使剪力墙出现明显薄弱的地方,而传统的计算方法不能得出实际的内部应力数值,所以设计时要防止出现上述情况。如果在施工设计时不能避免,可以通过采取有限元的办法对内部应力系数进行测算,同时将一些轻质的材料填充到洞口,弱化其不规则性,增强剪力墙的性能。
（3）如果剪力墙的洞口出现了不规则的地方,那么在测算内部应力和侧移系数的时候,一定要严格按照规范标准执行,也就是使用有限元的水平计算办法。如果运用的是杆系模型方法,在计算的时候,要对测算的结果做好分析,或者再进行一遍校核,以增强准确性。
4建筑剪力墙结构的设计
4.1厚度的设计
在高层住宅建筑剪力墙结构设计的过程中,我国有着相对严格的规定,为了确保高层住宅建筑的质量可以满足人们的实际需求,对于剪力墙的厚度有着一定要求,需要根据高层住宅建筑工程的施工地点以及实际情况来确定。在开始高层住宅建筑施工前,如果高层住宅建筑的抗震等级是一、二级的建筑物,要求在完成其底部加强范围的设计过程中,有关剪力墙结构设计其厚度不可以小于200mm,这是对剪力墙结构设计中的硬性要求,同时需要根据高层住宅建筑工程的实际建设完成剪力墙结构设计,要求剪力墙结构设计中其不能小于高层住宅建筑的层高以及无肢长度的1/16,而其他部位的墙体在设计的过程中则不能低于160mm,同时要求剪力墙结构设计中其不能小于高层住宅建筑的层高以及无肢长度的1/20。
由于对高层住宅建筑的要求为抗震等级为三、四级的建筑物,其底部的加强范围在完成剪力墙结构设计中厚度不可以小于160mm,同时要求不宜小于层高或无肢长度的1/20,在高层住宅建筑中其他部位的墙体其厚度不可以低于140mm。如果在实际高层住宅建筑设计中出现无端柱或者翼墙时,则需要对底部加强区的墙厚提出更高的要求,对于抗震级别是一、二级的高层住宅建筑,其不可以小于层高或无肢长度的1/12,而对于抗震级别是三、四级的高层住宅建筑,则不宜小于层高或无肢长度的1/16。除此之外,在对高层住宅建筑剪力墙结构设计过程中需要注意一个问题,就是任何一个高层住宅建筑工程在施工的过程中都难以保证不出现任何特殊情况,在面对特殊情况的时候,需要设计人员采取有效的应对方式,尽可能地增强所有剪力墙结构设计中的概念设计理念,需要展开全面的控制,尽可能地保证可以让高层住宅建筑施工现场的钢筋绑扎以及混凝土浇筑得到有效的质量控制,为建筑结构的安全性提供最全面的控制保障,有效增强高层住宅建筑整体结构的强度。
4.2延性设计
在高层住宅建筑的剪力墙结构设计中,应该注意到一个非常有意义的设计重点,那就是延性设计,为了保证剪力墙结构设计中的延性设计符合人们对于高层住宅建筑质量的实际要求,需要从以下几个方面入手:第一点,确保高层住宅建筑的结构墙体底部具有比较好的稳定性,同时能够满足工程需要的延性以及耗能能力。在剪力墙结构设计中的控制结构需要保证在其底部一定高度的范围内不会出现屈服,为此需要加强剪力墙结构设计中墙体底部的受剪承载力范围,确保高层住宅建筑的抗震结构能够满足实际需求,同时让高层住宅建筑在面对台风、地震等自然灾害的时候,其底部可以在一定范围内具有较大的弹性变形能力,提高整个高层住宅建筑结构的整体抗倒塌能力,也就直接提高了高层住宅建筑的质量安全,能够达到人们的满意需求。第二点,在任何高层住宅建筑工程中都需要意识到一个非常严重的问题,就是高层住宅建筑的抗震能力,在实际高层住宅建筑投入社会使用中一旦出现了强震,对于高层住宅建筑的结构破坏过程为梁先屈服,然后就是墙肢底部出现塑性铰,也就要求在剪力墙结构设计中需要遵循强剪弱弯的原则,将连梁作为整个剪力墙结构设计中的耗能构件,保证其自身所具有的延展性,避免在地震的作用下出现连梁剪切破坏。和普通建筑不同,高层住宅建筑在面对地震的时候往往显得更加脆弱,为此需要在高层住宅建筑的剪力墙结构设计中格外注意这一问题。
4.3结构参数
由于在实际工程中高层住宅建筑需要承载的荷载力比较大,为此在剪力墙结构设计中需要对不同的参数展开全面的考虑,对其进行有效的控制,尽可能地保证高层住宅建筑的荷载力在可以被控制的范围内。要求在高层住宅建筑的剪力墙结构设计结构参数设定的过程中,必须要针对本次工程高层住宅建筑的比例、位移等所有的内容进行全面分析,作为剪力墙结构设计人员,需要实地完成对高层住宅建筑工程的考核,保证能够做好剪力墙结构设计的稳定性,防止出现由于对高层住宅建筑了解不够而造成的设计不规范进而导致重心不稳。要求在高层住宅建筑的剪力墙结构设计中需要针对高层住宅建筑中出现的不规则剪力墙展开科学设计,将其管控在可以被规定的范围之内。
5高层住宅结构剪力墙优化设计改进方案
5.1优化剪力墙平面分布
合理的剪力墙平面分布可以提高建筑的稳定性，在抗风、抗震等方面有很大的意义。（1）保持剪力墙厚度及截面过渡平稳，可以保证受力变化平缓均匀，减少应力突变引起的建筑物不稳定；（2）减少剪力墙平面外弯矩，可以通过添加辅助翼墙、扶壁柱等增加墙体侧向支撑来缓解墙体所受平面外弯矩带来的不利影响；（3）保证剪力墙均匀对称分布于建筑外围及受力薄弱位置，以提高建筑的抗侧力、降低建筑的扭矩，提高结构的抗震能力；（4）根据不同建筑高度设计不同的剪力墙结构刚度，提高建筑物各方面的承载力。
5.2尽量使用长度合理的剪力墙
实际应用中，尽量减少短肢墙的使用不仅可以降低施工难度，而且可以充分利用剪力墙的抗侧力及抗压能力，并且，减少短肢墙的使用可以降低结构含钢量、节约建筑成本。
5.3合理设计剪力墙刚度分布
剪力墙的刚度分布对于高层建筑的抗扭转性和抗侧力十分重要，因此，应该尽量保证建筑外围刚度高、建筑中间刚度低。这样，增加建筑外围的剪力墙数量、降低建筑中心部位剪力墙数量，对提高结构的整体刚度、减小结构扭转起到很有利的作用。
5.4施工放线技术
施工放线技术是框架剪力墙中的基础工程，它是构件定位之前的检查工作，是提高工程质量的有效措施。针对住宅建筑中的框架剪力墙结构来说，需要在建筑物定位桩设定后，由专业的工作人员进行相应的测量，对建筑物的轴线桩进行测量，根据施工平面图等进行放线工作，在经纬仪等工具的辅助下完成基础工程工作，由现场的工作人员进行具体的判断。施工放线技术在框架剪力墙中有着非常重要的作用，它与建筑物最终的质量有着非常密切的关系，工作人员需要严格按照规范进行操作，遵守先整体后局部的放线原则，加强在放线测量过程中的自检和互检工作。施工放线过程中的测量仪器也必须按照规定进行检测，保证它的精确性，经过专业机构鉴定后方可进入到测量过程，仔细审查施工过程中的放线依据。测量工作开始之前，必须与总承包方取得联系，与土建单位确认3项基准数值，由总包方移交控制网点等测量情况。另外，施工放线中还应该及时控制分配误差，避免误差的累积，测量结构要随时记录，并且做到有据可查。
5.5采用高强度材料
钢筋混凝土是当今剪力墙结构的主要材料，但是其具有密度大、成本高等特点，在保证结构安全的前提下，可以增加对高强度钢筋及高强度混凝土的使用，以减少单位承载力所需要的材料数量、减小结构构件尺寸，此外，在隔墙等二次结构上适当采用轻质墙板等材料可以进一步减小建筑整体重量，这也是降低整个建筑成本的有效措施。
结束语
总而言之，伴随着建筑物高层化的发展，剪力墙结构的应用将会越来越广泛，如何进一步加强剪力墙结构的使用，改进剪力墙结构体系，已成为建筑结构设计中亟待解决的问题。设计者要在设计中创新优化，积极借鉴国内外剪力墙结构设计的先进理念、技术、经验，根据工程的实际情况灵活调整，以保证结构设计的可行性。
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