杨正明
无锡市建筑设计研究院有限责任公司 214001
摘要：高层建筑结构设计与剪力墙有着密不可分的关系。本文结合剪力墙结构特点，探讨剪力墙结构在高层建筑结构设计当中的应用策略，以此来确保高层建筑中剪力墙结构的功能性以及安全性。
关键词：高层建筑；结构设计；剪力墙结构；应用策略
剪力墙作为在高层建筑结构设计的重要组成部分，它有着承受高层建筑各种竖向作用以及水平作用的性能，并且还具备良好的抗震效果。不仅如此，剪力墙还有着水平抗侧刚度大以及钢筋用量少等特点。一般来说，在高层建筑结构设计中，其内部的剪力墙布置的越多，则高层建筑结构的抗震性能就越好。但如果过多的布置剪力墙结构，则会加大工程造价压力。因此，需根据高层建筑结构设计以及剪力墙结构设计的原则，结合剪力墙的结构特点，设计出兼具科学性和合理性的应用对策，有效解决在工程项目当中存在的设计问题，以此强化剪力墙结构在高层建筑结构设计中的可靠性，实现高层建筑结构设计的经济性、合理性目标。
一、剪力墙结构特点
在高层建筑结构设计当中，剪力墙结构被广泛使用。剪力墙结构不仅有着良好的抗震性能，还可以减轻因受外力带来的侧向变形压力，并有着很好的延展性以及承受性。但是在设计过程中，因剪力墙结构形式会受到平面布置的限制，所以，它被广泛应用于住宅、公寓或酒店等高层建筑内，但在公共建筑内的应用性较少。除此之外，剪力墙结构因承受竖向力以及水平力能力较为突出，所以，在进行高层建筑物设计建造过程中，楼层以及高度都要比普通建筑框架结构高出很多。另外，剪力墙结构形式没有柱或是梁等结构构件凸出建筑使用空间，可以大大提升高层建筑的室内空间。但是，剪力墙结构也有其局限性，如在后期装修中不能进行改造或拆除。在随着工程技术不断发展的过程中，短肢剪力墙结构得到了人们的广泛关注，它可以使高层建筑室内结构设计布局变得更加灵活，但经有关实验研究表明，在高层建筑结构设计中应用短肢剪力墙结构，会大大降低高层建筑整体结构的受力性能和抗震性能。因此，在进行高层建筑结构设计时，还需要结合实际情形慎重选择[1]。
二、高层建筑结构设计与剪力墙结构的应用策略
以某市中心高层建筑结构设计为例，该项目建筑面积41506m2，地下2层，地上39层，地上各层层高3.0m，总高度117.2m。该高层建筑结构设计使用年限为70年，地上建筑为全现浇钢筋混凝土剪力墙结构，其抗震设防烈度为7度，剪力墙结构抗震等级为二级。
（一）高层建筑结构设计与剪力墙结构布置方法
该项目为全现浇钢筋混凝土剪力墙结构，但因该高层建筑平面宽度较小，平面宽度最小处仅为9.95m，需要增加抗侧刚度才能满足高层建筑结构设计水平的舒适要求。并且，该高层建筑平面内纵横内墙不对齐，使之加大了剪力墙结构布置难度。为此，结构设计时对该问题进行充分分析，采用有效的应对措施进行合理的结构布局。该项目在北侧利用电梯井道和楼梯间隔墙布置了长度较长的剪力墙。但在实际设计过程中，因横向长墙几乎均集中在平面中部，导致横向中部刚度大、两侧刚度小，平面出现了扭转效应，需要经过反复的调整才达到正常的标准水平。与此同时，还需要增加两侧山墙剪力墙的厚度，以此来达到高层建筑整体结构设计的抗扭性以及抗侧性目标。除此之外，为更好地控制该高层建筑整体结构设计的扭转指标，在外墙设置了高连梁，有效地提高外围的抗扭性能。
（二）高层建筑结构设计与剪力墙结构计算
进行高层建筑结构设计时，可以充分利用计算机软件构建三维空间模型进行三维空间有限元整体分析。整体分析时，地震作用一般仅需考虑小震，风荷载一般按50年一遇的基本风压考虑，对于建筑高度不小于60m的高层建筑等对风荷载比较敏感的高层建筑，承载力设计时风荷载需按基本风压的1.1倍采用。内力计算时，还需考虑剪力墙结构连梁刚度的折减。本项目位于7度区，连梁刚度折减系数取0.7。位移分析时，连梁刚度可以不折减。对于建筑高度不小于150m的超高层建筑，还需按10年一遇的风压进行舒适度验算，结构顶点风振加速度需满足高层建筑混凝土结构技术规程的要求。
该项目建筑高度超过100m，结构设计时还通过动力时程分析对其补充计算，时程曲线取七组，时程分析结果的平均值满足高层建筑混凝土结构设计规程的要求。另需注意的是，建筑中重要的高层构架及相对薄弱的部位，需要进行特别调整加强，可以对其进行中震或大震性能化设计。该项目北侧两电梯井之间的连廊即为结构的薄弱部位，结构设计时对连廊梁、直接支承连廊的框架柱和剪力墙按中震抗剪弹性、抗弯不屈服进行性能化设计，确保其在设防地震作用下处于良好的弹性状态。对于在大震下可能破坏的结构构件，需要根据其在高层建筑结构设计中的重要程度和破坏造成的危害程度对其提出更高的延性标准要求【2】。
（三）剪力墙构造设计
1、配筋
考虑到施工的方便性和受力的合理性，该项目地上部分剪力墙和地下室内部剪力墙均将水平钢筋放置于剪力墙的外侧，将竖向钢筋放置于剪力墙的内侧。对于地下室外墙，其受力类似于竖向放置的板梁，将竖向钢筋放置在墙体的外侧，可以有效提高外墙钢筋的内力臂，节约钢筋用量，但地下室外墙长度往往较长，由于混凝土引起的竖向裂缝更需引起关注，因此，该项目设计时依然将水平钢筋放置于墙体外侧、将竖向钢筋放置于墙体内侧。
2、边缘构件
在高层建筑结构设计过程中，可以将剪力墙的边缘构件设置提高50%的最大承受力，增大剪力墙结构的性能耗力，这可以在一定程度上增加高层建筑结构设计中剪力墙的稳定性。通常来说，剪力墙结构边缘构件可以分为三类：特殊边缘构件、约束边缘构件以及构造边缘构件。为确保高层建筑结构设计中剪力墙的抗震性以及延展性得以提高，可以对高层建筑结构的剪力墙采取以下构造措施：首先是限制剪力墙结构墙肢的轴压比；其次是，在剪力墙结构底部墙体的轴压比达到限值后，对该部分剪力墙的墙肢两端设置约束边缘构件，重要部位和受力复杂的墙肢设置特殊边缘构件。需要注意的是，在构建约束边缘构件时，需要在内侧放置纵筋，这样可以较大程度地减小剪力墙墙肢的受压高度。除此之外，在构建剪力墙结构边缘构件时，可以通过SATWE 软件进行暗柱的配筋计算，计算结果同时也给出了暗柱对称配筋的单边钢筋计算面积。需要注意的是，在进行暗柱配筋时可以运用以下几点方法：首先，在进行计算时，暗柱配筋中的一个方向的短肢剪力墙不予计算；再次，将放置的短肢剪力墙进行刚度及配筋量计算[2]。
3 、连梁设计
在高层建筑剪力墙结构中，剪力墙结构的连梁具有截面大、跨度小等特点，不仅如此，剪力墙结构墙体与连梁相连也会增加其刚度。通常情况下，连梁在地震载荷以及风载荷作用下会加大内力，这也是在项目实施过程中，最常遇到连梁抗剪强度不足问题。如果没有达到强剪弱弯的要求，连梁就会先于弯曲破坏之前产生剪切破坏。如果在进行计算时对连梁刚度进行拆解，则会降低剪力墙结构的抗震性能。为此，在构建连梁时，可以考虑将其刚度折减，并采用普通箍筋以及交叉斜筋共同抗剪，或者提高连梁的混凝土等级，或者在连梁内设置型钢。通过以上方式，可以有效降低连梁的剪力设计值，提高连梁的抗剪承载力。再有，还可以通过减小连梁的截面高度或是设置双连梁，需要注意的是，虽然可以通过减小连梁的截面高度来减小连梁的剪力设计值，但相对应连梁截面的抗剪能力也会随之降低，所以该种方法需要谨慎选择。介于此，该工程项目通过设置水平缝构建双连梁很好地解决了连梁超限问题[3]，满足高层建筑结构设计的整体要求。为确保建筑结构设计与剪力墙结构的整体完整性，需在上下连梁之间通过轻质材料对水平缝进行填充。
总结：
在高层建筑结构设计过程中，加强对剪力墙结构设计，需要对其进行正确合理地受力计算，有效落实科学合理化配筋。通过合理布置剪力墙结构，强化连梁设计，有效做到了高层建筑结构设计与剪力墙结构的整体稳固性，满足了高层建筑结构设计规范要求，推动了我国建筑水平发展。
参考文献：
[1] 黄峰. 探究高层建筑结构设计中剪力墙结构的设计要点[J]. 区域治理, 2019,000(007):162.
[2] 江海燕. 剪力墙结构在高层建筑结构设计中的应用分析[J]. 中国室内装饰装修天地, 2020,000(007):187.
[3] 赵红艳. 高层建筑结构设计中剪力墙结构的要点分析[J]. 城市周刊, 2019,000(022):24-24.