【摘 要】在实际的高层住宅建造及设计过程中,一个值得注意的现象是,目前工程实践中大多数剪力墙结构的布置还主要取决于设计人员的经验,设计者出于结构的安全或设计进度等方面的考虑而对结构设计采取相对保守的结构布置方案,一定程度上忽略了结构的合理性和经济性。因此对剪力墙结构的布置进行优化显然十分必要。本文对高层住宅中混凝土剪力墙结构优化设计进行了研究和阐述。
【关键词】高层建筑；混凝土；剪力墙结构；优化设计
前言
在结构设计时，高层建筑的高度一般是指从室外地面至檐口或主要屋面的距离，不包括局部突出屋面的楼电梯间、水箱间、构架等高度。 随着高层建筑高度的大幅度增加，出现了超高层建筑。“超高层建筑”一词来源于日本，英语中原来并无超高层建筑相应的词条，欧美等西方国家一般采用Tall building或Highrise building来代表高层建筑，直到1995年才出现超高层建筑对应的词条Super-tall building。即使在日本，超高层建筑也没有明确的分界线，如在70年代，指70m以上的建筑，到80年代，提高到100m。目前，日本一般将120m以上的建筑称为超高层建筑，由此可以看出，超高层建筑完全是人为界定的，特指当时日本最高的一些建筑物；日本还将30层以上的旅馆、办公楼和20层以上的住宅规定为超高层建筑。目前，超高层建筑一词流行广泛，但又无统一和确切的定义，一般泛指某个国家或地区内较高的一些建筑。国际上，通常将高度超过100m或层数在30层以上的高层建筑称为超高层建筑。本文对高层建筑物中的混凝土剪力墙的优化设计进行阐述，主要从剪力墙结构的形式以及布置方面进行优化设计。
一、高层建筑结构设计特点分析
高层建筑结构可以设想成为支承在地面上的竖向悬臂构件，承受着竖向荷载和水平荷载的作用。与多层建筑结构相比，高层建筑结构的设计具有如下特点：
1、水平荷载成为设计的决定性因素
对于多层建筑结构，一般是竖向荷载控制着结构的设计。随着房屋层数的增加，虽然竖向荷载对结构设计仍有着重要的影响，但水平荷载已成为结构设计的控制因素。因为竖向荷载在结构的竖向构件中主要产生轴向压力，其数值仅与结构高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖向构件中所引起的轴力，其数值与结构高度的二次方成正比。而且，与竖向荷载相比，作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值与结构的动力特性等有关，具有较大的变异性。
在竖向荷载和水平荷载作用下，如图1（a）（b）所示，高层建筑结构底部所产生的轴力N和倾覆力矩M与结构高度H分别存在着如下的关系式，即：
结构底部的轴力：
N = ωH
结构底部的倾覆力矩：
式中，ω、q、qmax分别为沿建筑单位高度的竖向荷载、均布水平荷载和倒三角形分布荷载的最大值（kN/m）。
(a) (b)
2、轴向变形的影响在设计中不容忽视
竖向荷载是从上到下一层一层传递累积的，使高层建筑的竖向结构构件产生较大的轴向变形。如在框架结构中，中柱承受的轴向压力一般要大于边柱的轴向压力，相应地中柱的轴向压缩变形要大于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时，中柱和边柱的轴向变形就会产生较大的差异，使框架梁产生不均匀沉降，造成框架梁的弯矩分布发生较大的变化。同时，高层建筑特别是超高层建筑中，竖向构件（特别是柱）的轴向压缩变形对预制构件的下料长度和楼面标高会产生较大的影响。如美国休斯敦75层的德克萨斯商业大厦，采用型钢混凝土墙和钢柱组成的混合结构体系，中心钢柱由于负荷面积大，截面尺寸小，重力荷载下底层的轴向压缩变形要比型钢混凝土墙多260mm，为此该钢柱制作下料时需加长260mm，并需逐层调整。
二、高层建筑混凝土结构设计的基本要求
在高层建筑混凝土结构的设计中，必须注重其规则性，尽量避免选用不规则的建筑结构体系，以保障建筑的安全性、稳定性与抗震性。高层建筑混凝土结构的规则性必须符合以下基本要求：1)必须具有较强的承载能力与变形能力；2)避免因内部结构或构件的破坏，而导致建筑结构整体的风荷载、重力荷载、抗震等作用能力丧失；3)对于结构中较为薄弱的部分，应采取有效的加固措施。可能出现的薄弱的部位，应该采取有效措施给予加强。
在高层建筑混凝土结构的平面布置中，要注重首立面与竖向剖面的规则性，尤其是结构的侧向刚度必须保持均匀变化，竖向抗侧力构件截面的尺寸、材料强度应“自下而上”逐渐的减小，以避免抗侧力结构出现侧向刚度、承载力突变的现象。在高层建筑混凝土结构的平面布置中，必须满足以下要求：1)受力明确、传力直接，有利于抵抗建筑内外部的水平与竖向荷载，平面布置应尽量均匀对称，以减少扭转造成的不利影响；2)在地震作用下，建筑结构的平面布置要力求简单、规则，在风力作用下，则可适当放宽平面布置的要求；3)对于防震性能要求较高的高层建筑，应注重平面形状的简单、对称与规则，以减少地震灾害造成的影响；4)在高层建筑的独立结构单元中，必须保证结构平面形状的简单与规则，刚度、承载力要分布均匀；5)尽量避免严重不规则的平面布置形式。
三、高层建筑混凝土结构优化的具体方法
1、高强砼与高强钢筋的合理使用
在高层建筑混凝土结构的优化设计中，高强砼与高强钢筋的合理使用是关键的设计项目之一，直接关系到工程项目的总体造价、施工费用，以及建筑的整体性能与使用年限等。如果高层建筑工程的地基荷载较大，在设计中要合理优化高强砼、高强钢筋等构件的截面尺寸，以达到减轻结构自重的目的，并且降低基础施工的技术难度。对于抗震性能要求较高的高层建筑，建筑自重与地震作用的大小基本成正比，减轻建筑的自重可以有效减小结构的地震荷载，有利于提高建筑结构的整体安全度。另外，在高层建筑混凝土结构的设计中，高强砼和高强钢筋的合理使用，还可以有效、快速的减少柱、墙、板、梁等构件的截面尺寸，减少用钢量，在满足建筑设计要求的前提下，有效降低了工程项目的总体造价。