探究超高层结构筒体剪力墙优化设计

尹琦

摘要：筒体剪力墙适用于超高层建筑、高耸结构当中，由电梯间、楼梯间、设备与辅助用房的间隔墙构成。筒体剪力墙的筒壁采用了现浇钢筋混凝土墙体，相比平面剪力墙其刚度、强度更大，因此可以承受更高的水平荷载。为了能够更好的发挥筒体剪力墙在超高层结构中的应用优势，本文重点探究筒体剪力墙优化设计方案。

关键词：筒体剪力墙；超高层建筑；优化设计

引言

新时期，由于城市人口不断增多，新建工程多数是高层建筑、超高层建筑。其中，超高层建筑是指建筑高度在100m以上的建筑工程。但是在超高层建筑施工中，经常会产生项目概算超估算、预算超概算、决算超预算等情况。导致工程成本增加并非是某一个因素造成的结果，与设计院、施工企业、甲方、政府规定等均有一定联系，其中设计院没有对超高层结构进行优化是非常重要的一项因素。影响超高层建筑结构的因素有很多，如钢筋用量等，因此可以进一步优化筒体剪力墙结构，降低材料用量降低造价，同时也要考虑结构安全性指标，确保超高层建筑使用安全。

1. 超高层筒体剪力墙分类

1.1框架-核心筒结构

该结构主要是由核心筒、外围稀柱框架构成建筑结构，我国南京玄武饭店就采用了该结构形式。

1.2框筒结构

外围主要是以密柱框筒为主，内部采用了普通的框架柱结构。

1.3筒中筒结构

该结构主要是由核心筒、外围框筒组成的超高层建筑结构体系。如纽约世贸中心就采用了该结构以及北京中央色彩电视中心（地震烈度9度）同样采用了该结构。甚至有些工程在此基础上形成了三重、四重筒结构体系。

1.4束筒结构

该结构是采用了多个筒体连接的形式形成一个完成的结构体系。如芝加哥希尔斯大厦就采用了9个束筒组成了一个整体结构。

2. 筒体剪力墙的应用优势

（1）筒体剪力墙是采用钢混剪力墙通过在建筑内外组合形成的封闭筒体，相比传统剪力墙体系可以让整个结构体系不仅具有较大的刚度，同时因为剪力墙更加集中设置而产生更大的空间，平面设计更加灵活。

（2）筒体剪力墙结构可以凭借自身结构强度抵抗水平荷载，就好比是固定在基础上的筒形悬臂构件。

（3）筒体剪力墙有不同种类形式，不同形式可以根据建筑物高度、水平荷载量、性质等方面进行选择。

（4）为了提高建筑工程的采光量，可以在筒壁上开孔，也就是空腹筒、框筒。

（5）如果建筑物非常高且侧向刚度很大时，可以选择筒中筒结构，也就是在建筑内部使用钢混墙体围城内筒，内筒和外筒使用梁、板等连接成为一个整体结构，这样可以极大的提升超高层建筑侧向刚度，可抵抗更大的水平荷载量，外筒是密排柱、大截面横梁组成的框筒结构。在超高层建筑中应用有极大的优势^[1]。

3.超高层结构筒体剪力墙优化设计

3.1结构布置

筒体剪力墙的抗侧移、抗扭曲性能非常强，还可以提升建筑内部空间灵活性，如框筒、筒中筒、束筒等都是非常好的抗侧力结构体系。在筒体剪力墙结构布置中，必须要满足超高层建筑一般布置原则，考虑布置的合理性，减小剪力滞后，从而更充分、更高效的发挥柱子作用。筒体剪力墙采用多边形结构可以提升整体性能，理论上边数越多其性能越强，剪力滞后情况也越小，提升了结构空间作用。反之，如果边数较少，会降低工程结构的空间作用。所以，所以平面形状尽可能采用正多边形或圆形，如果对建筑形态有特殊要求还可以使用矩形、椭圆形。矩形平面尽可能贴近于正方形，长宽比控制在2以内，否则就要横向设置加筋框架数量，构成束筒结构。

在筒中筒结构设计优化中，外框筒最好是密柱深梁结构，通常柱间距不超过4m。框筒梁截面高度控制在柱净距的1/4。开孔率作为筒体剪力墙结构的重要参数，开孔率不得超过60%，并且洞口高宽比尽可能与层高、柱距比相近。在框筒长宽比小于2且墙面开洞率在50%以内时，可以适当放宽外框筒柱距。若无法实现密柱深梁设计，应沿着结构高度选择适当楼层增设环向桁架，从而降低剪力滞后性。框筒结构截面以正方形、T形为主，矩形截面会受到梁柱弯矩影响，框架平面外柱弯矩小，矩形长边应和腹板框架方向保持一致。筒体角部作为两个方向结构协同工作的重要一环，受力集中，所以要采取加厚措施强化，外筒可通过增加大角柱截面尺寸的方法强化，从而承受更多轴力，缓解压缩变形问题^[2]。

框筒结构的柱间距小，为了底层出入通道设置要保持一定柱距，所以要增设转换结构。转换结构能够将上部荷载传递到柱子上，内筒应力要贯通到基础底板当中。

3.2框架-核心筒结构受力分析

筒中筒、框架-核心筒两种结构形式的平面尺寸、结构高度、水平荷载作用大致相同，所以均采用平板楼板。通过对比筒中筒和框架-核心筒结构的翼缘框架柱轴力，框架-核心筒翼缘柱体轴力更小，柱子设置数量更少，翼缘框架所承受的轴力相比框筒小很多，同时轴力形成的坑倾覆力矩也更小。框架-核心筒结构当中是由实复筒、腹板框架共同抵抗侧力，腹板框架边柱为角柱，轴力更大。并且其抗侧刚度、抗弯度、抗剪性能也要比框筒腹板框架体系更小。整体来看，框架-核心筒结构抗侧刚度更小

^[3]。框架-核心筒结构中腹板是抗侧力部分，筒中筒是借助腹筒提升抗剪力，抵抗倾覆力矩主要依靠外部筒体结构。

如果设计中是平板楼盖，虽然框架可以起到一定的空间作用，使翼缘框架柱产生轴力，但由于柱子数量限制，轴力有限，无法起到周边框筒所产生的轴力作用。对此，可以通过增加楼板大梁提升翼缘框架中柱子轴力，发挥周边柱的作用力。如果周边柱和内筒之间的间距较大，楼板大量跨度大、梁高度大，为了确保楼层净空满足标准，则要增加层高，对此可以选择框架-核心筒-伸臂结构，从而发挥周边柱的轴力作用。

3.3筒体结构截面设计与构造

筒体结构采用钢混架构，混凝土强度等级不低于C30，框架节点核心区混凝土强度等级不低于柱混凝土强度等级，并且要计算核心区斜截面承载力。在特殊情况下，应为柱混凝土强度等级的70%以上，但要验算核心区斜截面、正截面的承载性能。考虑到剪力滞后问题，框筒结构的柱体竖向压缩量存在偏差，压缩变形最大的是角柱，所以楼板四角下沉量更大一些。所以在楼板设计中，可以采用双层双向附加构造钢筋的外角板，避免楼板角部位出现开裂情况，单层单向配筋率不低于0.3%，钢筋直径应在8mm以上，间距控制在150mm以内，配筋范围则要高于外筒到内筒距离的1/3或3m^[4]。

核心筒是由剪力墙、连梁共同组成，根据行业标准设计截面和构造，尽量选择筒单剪力墙截面形状，对截面形状非常复杂的墙体结构，要根据应力形式设置受力钢筋。核心筒中主要是抗侧力结构、承重结构，筒角主要起到核心筒作用的关键部位，所以要将边缘构件加强，约束边缘的构件皆要设置箍筋。

结束语

综上所述，如今超高层建筑数量越来越多，保证建筑结构整体性能是需要重点考虑的问题。筒体剪力墙可以实现空间整体受力，并且受力情况非常复杂，所以在实际设计中可以简化设计方法，如估算法、等效平面框架法等，通过优化设计保障结构安全性、降低施工成本，提高超高层工程的综合效益。

参考文献

[1]张路, 张小丽, 邹明,等. 高层建筑筒体剪力墙优化后结构安全性能研究[J]. 建筑结构, 2019(01):111-112.

[2]张路, 李艺然, 郭强. 高层建筑剪力墙筒体合理化设计方法案例分析[J]. 建筑结构, 2019(11):85-87.

[3]陈倩倩. 关于剪力墙结构优化设计的探讨[J]. 建筑·建材·装饰, 2014(05):455-456.

[4]郭宏磊. 非对称异型面剪力墙与筒体下的厚承台受力性能研究[J]. 土木工程学报, 2012(11):121-133.