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【摘 要】城市建设飞速发展，高层建筑已然成为建设的主流，剪力墙结构刚度大、抗震好、承载能力强、具有很好的整体性和空间作用而越来越多的应用于高层建筑中，对高层建筑剪力墙结构设计和优化的相关问题得到了工程技术人员的普遍重视。就剪力墙结构设计应用的问题做几点探讨。
【关键词】高层建筑；剪力墙结构；设计
1.剪力墙综述
1.1概念
层数很多的框架房屋高宽比加大，此时水平荷载会使框架的弯矩加大，柱子也会负担更大的轴向力和剪力，以柱子有限的截面尺寸去承担就显得非常吃力。剪力墙结构是在房屋中以钢筋混凝土墙板代替框架结构的梁柱，能够承担竖向荷载（重力）、抵抗水平荷载（风、地震等）引起的内力，这种结构被称为剪力墙，在高层建筑中应用广泛。
1.2剪力墙的类型
剪力墙上孔洞的数量、大小、分布会影响墙体受力和变形状态，根据孔洞的不同，分为以下几种：
整体墙：墙体上没有洞口或者开有少量的洞口，但是洞口的面积和不超过墙体面积的15%，且洞口的长边尺寸均小于洞口净距以及洞口至墙边的净距，此时可以忽略洞口对墙体的影响，这种剪力墙称为整体墙。
小开口整体墙：洞口尺寸比整体墙稍大，上下对齐成列布置，形成明确的、刚度均匀的墙肢和连梁，墙肢中出现局部弯矩，局部弯矩不超过整体弯矩的15%。
联肢墙：墙体上的洞口按竖向排列，一列或多列，洞口面积较大，剪力墙的截面整体性已被破坏，墙体通过由连梁连接在一起的墙肢受力，连梁中部出现反弯点。
框支剪力墙：底层框架结构支撑上部剪力墙，为底层创造大的空间，形成框支剪力墙，应注意在地震区，不容许采用纯粹的框支剪力墙结构。
壁式框架：在连肢墙中大面积的洞口会使连梁的刚度大于墙肢，剪力墙的受力特性接近于框架结构，由于剪力墙的厚度较框架结构梁柱的宽度要小一些，故称壁式框架。
另外根据建筑的使用需求，在剪力墙上开有较大的、排列不规则的洞口时称开有不规则洞口的剪力墙。
1.3剪力墙的优缺点
优点：结构整体性强，侧向变形小，抗侧刚度大，抗震性能好；内室不会露梁露柱，有利于室内布置；节省用钢量。
缺点：由于抗侧刚度大，容易引发较大的地震反应；自身重量大；各墙肢轴压普遍不大，承载力难以完全发挥；墙体配筋率较低，结构延展性能差。
2.剪力墙结构的设计要点
2.1剪力墙的布置原则
剪力墙结构的布置要遵循“均匀、对称、周边、分散”的原则，把各类型剪力墙布置在最合适的位置，材尽其用，发挥最大效能，还要注意多道防线，有合理的屈服机制。
①剪力墙应具有抗震、抗风载的能力，其结构必须满足非弹性变形和避免脆性剪力断裂，应尽量采用延性弯曲型。
②剪力墙的数量应在满足基本振型地震作用、满足规范规定的位移比的限值条件下尽量减少。
③剪力墙应沿着主轴的方向进行双向布置，在同一平面内的剪力墙应保持均衡。
④单片剪力墙的长度不宜过大。
⑤剪力墙的竖向布置应上到顶下到底，中间不间断以避免刚度突变。
⑥可采用减小剪力墙厚度、降低连梁高度、增大洞口宽度、划分小墙肢等方法调节剪力墙的刚度。
⑦为避免刚度突变，剪力墙厚度减小的幅度不宜过大，应按阶段变化，使墙体刚度均匀连续的改变，墙体厚度变化时两侧同时内收。
⑧顶层取消部分剪力墙时应加强其余剪力墙，底层取消部分剪力墙时应设置转换层。
⑨短肢剪力墙布置灵活，能减小建筑结构自身重量，但是抗震性不强，在结构设计时应慎重选择。
⑩独立墙肢会增加施工难度，设计时可采用对剪力墙进行合理布置或合并洞口的方式来避免独立墙肢的出现。
2.2剪力墙结构设计计算
通过剪力墙整体结构的分析，对剪力墙正截面和斜截面受剪力进行验算求得剪力墙的内力。剪力墙计算应与施工图纸保持一致，荷载取值要准确。
2.2.1 竖向荷载作用下的计算方法
剪力墙所承受的竖向荷裁主要包括楼面荷载和结构自重，其通过楼板传递到剪力墙。竖向荷载除了在连粱内产生弯矩以外，在墙肢内主要产生轴力，可以按照剪力墙的受荷面积进行简单计算。如果楼板中有大梁，传到墙上的集中荷载可按 45°扩散角向下扩散到整个墙截面，可认为是均匀分布的。
2.2.2 水平荷载作用下的计算方法
剪力墙在水平荷载作用下的受力分析实际上可以看着是二维平面上的问题，应该按照平面问题进行精确计算求解，运用有限元的方法借助于计算机进行计算，有限元方法计算精度高，但工作量较大。在实际工程设计中，可以根据不同类型剪力墙的受力特点，进行简化计算。
2.3剪力墙结构的墙体配筋
在高层建筑中剪力墙面积广数量大，为保证建筑物的稳定性，对剪力墙进行配筋，水平分布的钢筋能够提高剪力墙的抗脆性剪切破坏和抗温度应力破坏，竖向配筋能使墙体抗弯能力加强，一般水平钢筋放在外侧，竖向钢筋放在内侧。高层建筑剪力墙墙体配筋率满足计算及规范建议的最小配筋率即可，规范规定高层建筑剪力墙墙体配筋率应在0.25%以上，底部加强部分的配筋率应在0.3%以上。剪力墙的竖向钢筋与水平钢筋之间的距离适宜在300mm 左右，直径不能低于8mm。竖向配筋应小于横向配筋，抗剪能力就大于抗弯能力，能够有效的抵抗地震。
3.优化设计的措施
3.1 选择合适的剪力墙结构
根据建筑的用途需要和设计要求，选择合适的剪力墙结构，即要满足空间上的应用，又要满足抗震条件。剪力墙可以分为框架剪力墙结构与框支剪力墙结构，框架剪力墙结构是在框架结构中设置适当的剪力墙的结构，框架和剪力墙一同作为承载体来接受荷载，它具有框架结构平面的布置灵活，有较大空间的的优点，又具有侧向刚度较大的优点。框架剪力墙结构中，剪力墙主要承受水平荷载，框架承担竖向荷载。该结构一般适宜用于10-20层的建筑。框支剪力墙指的是结构中的局部，部分剪力墙因建筑要求不能落地，直接落在下层框架梁上，再由框架梁将荷载传至框架柱上，这样的梁就叫框支梁，柱就叫框支柱，上面的墙就叫框支剪力墙。这是一个局部的概念，因为结构中一般只有部分剪力墙会是框支剪力墙，大部分剪力墙一般都会落地的，这种结构多应用于住宅，适用于做成转换层高层建筑。
3.2 控制剪力墙的厚度
剪力墙的厚度按一级抗震等级设计时不应小于楼层高度的1/20， 且不应小于160mm；按二、三、四级抗震等级和非抗震设计时不应小于楼层高度的1/25，且不应小于 140mm。有边框时，剪力墙的厚度不应小于墙体净高的1/30 ，且不应小于 120mm；无边框时，剪力墙的厚度不应小于楼层高度的1/25，且不应小于 140mm
3.3 底部加强设计
底部加强部位的高度取值应准确合理，注意转换层、地下室等影响因素。
3.4 转换层设计
现代高层建筑功能、构造多种多样，当建筑物上下使用功能不同时结构设计也会不同，这时就需要设置转换构件衔接上下，这种设置构件的楼层叫转换层。设计转换层时应注意：转换层本身的刚度和质量不宜过大， 最终可通过水平力作用下精确的空间分析检查转换层附近的层间位移角是否基本均匀；宜尽量选用刚度和重量较小的转换层结构形式， 计算时应多取参与组合的振型数；通过计算仔细分析可能存在的薄弱部位，研究具体的内力分配特点， 通过调整内力和构件配筋设计改善薄弱部位的性能。
3.5 连梁设计
对于连梁非抗震及抗震设计时高跨比大于2.5 及小于2.5两种情况，在截面受剪承载力及配筋方面有不同规定。为此应将连梁进行塑性调幅，以降低剪力设计值。塑性调幅可在内力计算前将连梁刚度进行折减或者在内力计算之后，将连梁弯矩和剪力组合值乘以折减系数。无论采用何种方法，连梁调整后的弯矩、剪力设计值不应低于使用状况的值，也不宜低于比设防烈度低一度的地震组合所得的弯矩设计值，以避免在正常使用条件下或较小的地震作用下连梁出现裂缝。同时要注重连梁的铰接处理。
4.结语
综合性、功能性、智能性高层建筑是我国建筑的发展方向，剪力墙结构也会在建筑中得到越来越广泛的应用，在结构设计中，控制好侧移、墙柱轴压比、位移比和周期比、抗侧刚度和抗剪承载力比，只有研究好剪力墙结构，熟悉剪力墙的特点、布置、参数、结构，才能将此结构充分运用于建筑中，发挥更高的能效。
【关键词】高层建筑；剪力墙结构；设计
1.剪力墙综述
1.1概念
层数很多的框架房屋高宽比加大，此时水平荷载会使框架的弯矩加大，柱子也会负担更大的轴向力和剪力，以柱子有限的截面尺寸去承担就显得非常吃力。剪力墙结构是在房屋中以钢筋混凝土墙板代替框架结构的梁柱，能够承担竖向荷载（重力）、抵抗水平荷载（风、地震等）引起的内力，这种结构被称为剪力墙，在高层建筑中应用广泛。
1.2剪力墙的类型
剪力墙上孔洞的数量、大小、分布会影响墙体受力和变形状态，根据孔洞的不同，分为以下几种：
整体墙：墙体上没有洞口或者开有少量的洞口，但是洞口的面积和不超过墙体面积的15%，且洞口的长边尺寸均小于洞口净距以及洞口至墙边的净距，此时可以忽略洞口对墙体的影响，这种剪力墙称为整体墙。
小开口整体墙：洞口尺寸比整体墙稍大，上下对齐成列布置，形成明确的、刚度均匀的墙肢和连梁，墙肢中出现局部弯矩，局部弯矩不超过整体弯矩的15%。
联肢墙：墙体上的洞口按竖向排列，一列或多列，洞口面积较大，剪力墙的截面整体性已被破坏，墙体通过由连梁连接在一起的墙肢受力，连梁中部出现反弯点。
框支剪力墙：底层框架结构支撑上部剪力墙，为底层创造大的空间，形成框支剪力墙，应注意在地震区，不容许采用纯粹的框支剪力墙结构。
壁式框架：在连肢墙中大面积的洞口会使连梁的刚度大于墙肢，剪力墙的受力特性接近于框架结构，由于剪力墙的厚度较框架结构梁柱的宽度要小一些，故称壁式框架。
另外根据建筑的使用需求，在剪力墙上开有较大的、排列不规则的洞口时称开有不规则洞口的剪力墙。
1.3剪力墙的优缺点
优点：结构整体性强，侧向变形小，抗侧刚度大，抗震性能好；内室不会露梁露柱，有利于室内布置；节省用钢量。
缺点：由于抗侧刚度大，容易引发较大的地震反应；自身重量大；各墙肢轴压普遍不大，承载力难以完全发挥；墙体配筋率较低，结构延展性能差。
2.剪力墙结构的设计要点
2.1剪力墙的布置原则
剪力墙结构的布置要遵循“均匀、对称、周边、分散”的原则，把各类型剪力墙布置在最合适的位置，材尽其用，发挥最大效能，还要注意多道防线，有合理的屈服机制。
①剪力墙应具有抗震、抗风载的能力，其结构必须满足非弹性变形和避免脆性剪力断裂，应尽量采用延性弯曲型。
②剪力墙的数量应在满足基本振型地震作用、满足规范规定的位移比的限值条件下尽量减少。
③剪力墙应沿着主轴的方向进行双向布置，在同一平面内的剪力墙应保持均衡。
④单片剪力墙的长度不宜过大。
⑤剪力墙的竖向布置应上到顶下到底，中间不间断以避免刚度突变。
⑥可采用减小剪力墙厚度、降低连梁高度、增大洞口宽度、划分小墙肢等方法调节剪力墙的刚度。
⑦为避免刚度突变，剪力墙厚度减小的幅度不宜过大，应按阶段变化，使墙体刚度均匀连续的改变，墙体厚度变化时两侧同时内收。
⑧顶层取消部分剪力墙时应加强其余剪力墙，底层取消部分剪力墙时应设置转换层。
⑨短肢剪力墙布置灵活，能减小建筑结构自身重量，但是抗震性不强，在结构设计时应慎重选择。
⑩独立墙肢会增加施工难度，设计时可采用对剪力墙进行合理布置或合并洞口的方式来避免独立墙肢的出现。
2.2剪力墙结构设计计算
通过剪力墙整体结构的分析，对剪力墙正截面和斜截面受剪力进行验算求得剪力墙的内力。剪力墙计算应与施工图纸保持一致，荷载取值要准确。
2.2.1 竖向荷载作用下的计算方法
剪力墙所承受的竖向荷裁主要包括楼面荷载和结构自重，其通过楼板传递到剪力墙。竖向荷载除了在连粱内产生弯矩以外，在墙肢内主要产生轴力，可以按照剪力墙的受荷面积进行简单计算。如果楼板中有大梁，传到墙上的集中荷载可按 45°扩散角向下扩散到整个墙截面，可认为是均匀分布的。
2.2.2 水平荷载作用下的计算方法
剪力墙在水平荷载作用下的受力分析实际上可以看着是二维平面上的问题，应该按照平面问题进行精确计算求解，运用有限元的方法借助于计算机进行计算，有限元方法计算精度高，但工作量较大。在实际工程设计中，可以根据不同类型剪力墙的受力特点，进行简化计算。
2.3剪力墙结构的墙体配筋
在高层建筑中剪力墙面积广数量大，为保证建筑物的稳定性，对剪力墙进行配筋，水平分布的钢筋能够提高剪力墙的抗脆性剪切破坏和抗温度应力破坏，竖向配筋能使墙体抗弯能力加强，一般水平钢筋放在外侧，竖向钢筋放在内侧。高层建筑剪力墙墙体配筋率满足计算及规范建议的最小配筋率即可，规范规定高层建筑剪力墙墙体配筋率应在0.25%以上，底部加强部分的配筋率应在0.3%以上。剪力墙的竖向钢筋与水平钢筋之间的距离适宜在300mm 左右，直径不能低于8mm。竖向配筋应小于横向配筋，抗剪能力就大于抗弯能力，能够有效的抵抗地震。
3.优化设计的措施
3.1 选择合适的剪力墙结构
根据建筑的用途需要和设计要求，选择合适的剪力墙结构，即要满足空间上的应用，又要满足抗震条件。剪力墙可以分为框架剪力墙结构与框支剪力墙结构，框架剪力墙结构是在框架结构中设置适当的剪力墙的结构，框架和剪力墙一同作为承载体来接受荷载，它具有框架结构平面的布置灵活，有较大空间的的优点，又具有侧向刚度较大的优点。框架剪力墙结构中，剪力墙主要承受水平荷载，框架承担竖向荷载。该结构一般适宜用于10-20层的建筑。框支剪力墙指的是结构中的局部，部分剪力墙因建筑要求不能落地，直接落在下层框架梁上，再由框架梁将荷载传至框架柱上，这样的梁就叫框支梁，柱就叫框支柱，上面的墙就叫框支剪力墙。这是一个局部的概念，因为结构中一般只有部分剪力墙会是框支剪力墙，大部分剪力墙一般都会落地的，这种结构多应用于住宅，适用于做成转换层高层建筑。
3.2 控制剪力墙的厚度
剪力墙的厚度按一级抗震等级设计时不应小于楼层高度的1/20， 且不应小于160mm；按二、三、四级抗震等级和非抗震设计时不应小于楼层高度的1/25，且不应小于 140mm。有边框时，剪力墙的厚度不应小于墙体净高的1/30 ，且不应小于 120mm；无边框时，剪力墙的厚度不应小于楼层高度的1/25，且不应小于 140mm
3.3 底部加强设计
底部加强部位的高度取值应准确合理，注意转换层、地下室等影响因素。
3.4 转换层设计
现代高层建筑功能、构造多种多样，当建筑物上下使用功能不同时结构设计也会不同，这时就需要设置转换构件衔接上下，这种设置构件的楼层叫转换层。设计转换层时应注意：转换层本身的刚度和质量不宜过大， 最终可通过水平力作用下精确的空间分析检查转换层附近的层间位移角是否基本均匀；宜尽量选用刚度和重量较小的转换层结构形式， 计算时应多取参与组合的振型数；通过计算仔细分析可能存在的薄弱部位，研究具体的内力分配特点， 通过调整内力和构件配筋设计改善薄弱部位的性能。
3.5 连梁设计
对于连梁非抗震及抗震设计时高跨比大于2.5 及小于2.5两种情况，在截面受剪承载力及配筋方面有不同规定。为此应将连梁进行塑性调幅，以降低剪力设计值。塑性调幅可在内力计算前将连梁刚度进行折减或者在内力计算之后，将连梁弯矩和剪力组合值乘以折减系数。无论采用何种方法，连梁调整后的弯矩、剪力设计值不应低于使用状况的值，也不宜低于比设防烈度低一度的地震组合所得的弯矩设计值，以避免在正常使用条件下或较小的地震作用下连梁出现裂缝。同时要注重连梁的铰接处理。
4.结语
综合性、功能性、智能性高层建筑是我国建筑的发展方向，剪力墙结构也会在建筑中得到越来越广泛的应用，在结构设计中，控制好侧移、墙柱轴压比、位移比和周期比、抗侧刚度和抗剪承载力比，只有研究好剪力墙结构，熟悉剪力墙的特点、布置、参数、结构，才能将此结构充分运用于建筑中，发挥更高的能效。