高层住宅剪力墙结构的优化控制因素探讨

王建 罗亚男

【摘要】高层建筑在近几年中越来越多，剪力墙结构作为保障高层建筑安全的一个主要结构形式，被高层建筑建设广泛使用。随着建筑高度的增加，其功能设计也愈加复杂，结构体系也更多样化。通过优化剪力墙结构来确保建筑物的安全是建筑行业十分重视的问题。当前高层结构设计计算方法存在一定的局限，在整体结构方案设计和构件尺寸上缺乏全面的考虑，且容易造成不必要的浪费。因而，探讨高层住宅剪力墙结构优化控制因素值得研究。

【关键词】高层住宅；剪力墙结构；优化控制

引言

在高层住宅建筑中剪力墙结构是一种较为广泛使用的结构形式，多见于现代中的高层建筑中。基于该结构的技术规程对其设计的原则、计算方法等给出了规定，但是某些规定还不够详细，其操作性较低[1]。当前建筑工程实践中，剪力墙结构如何布置主要是由人经验决定的。不过大多数设计人员因为要考虑到结构的安全性和设计的进度在设计时往往使用的是较为保守的布置方案，对于结构的合理性以及其经济性并没有太多的考虑。因此，对于剪力墙结构布置时要优化分析而且对影响其结构优化设计的因素加以重视。

1.剪力墙结构概念及效能

目前，住宅的层数不断增加，而且宽度也不断的在扩大，骨架式框架结构的应用无论从经济上来讲还是合理性上都适用于当前高层住宅设计。

这是因为，框架结构受到水平荷载影响，其抗侧力的刚度较低而且会产生较大的水平为转移。框架结构对于水平荷载动力的反应是十分敏感的。因此，在住宅建筑的设计中，风荷载和地震是首先要考虑的因素。因而，住宅建筑不断增加高度的时候，要解决这些问题首先应该提高建筑的抗侧力刚度。要做到这点就应该在建筑中设置剪力墙。因此，剪力墙结构在高层住宅中十分重要。

层数较多的框架说明住宅的高度和宽度也很大。因此，水平荷载对于框架的影响也很大，一方面促使框架的弯矩不断增大，柱子承担的剪力也会随之增大，特别是底层柱子的轴向力是相当大的。从力平衡的角度来看，因为住宅建筑的高度增加了，水平荷载所产生的倾覆力也会因此而增加，单单依靠柱子来承担这种倾覆力是很难的，而在要承担轴向力和剪力也十分的困难。

剪力墙就是刚度较大的墙片，通常是由混凝土钢筋构成的。剪力墙因为水平力的影响下的工作状态就好像是悬臂的深梁剪力墙能够为高层建筑提供较大的抗剪强度和刚度，因此我们称之为剪力墙。

剪力墙结构所承担的荷载相比较于其他结构来说要大，而且其整体的性能也很好，侧向的刚度大，在水平的影响下其位移也较小。因为没有突出的梁柱，也十分的利于房屋的内部布置。虽然剪力墙结构的应用使得建筑难以提供较大的空间，而且结构的延性相对来说也较低，但是从经济和安全的角度讲，还是可行的。剪力墙结构因为可承担较大的荷载，加上其较大的横向刚度，因此可用于高层住宅建筑中。不过因为其存在的不足，多用于为小房间为主的住宅建筑和公寓建筑中。

2.高层住宅剪力墙优化控制因素研究

因为剪力墙结构的布置不同，结构的受力性能以及经济性能也会因为布置不同而受到较大的影响。对寻求合理和经济的剪力墙布置方案也是值得研究的。那么，对剪力墙结构有控制控制的因素有哪些，这些因素又对剪力墙的结构产生何种程度的影响呢，本部分将进行探讨。在实际调查中发现，结构变形、结构经济性以及构造要求等是主要影响剪力墙结构优化设计的几个因素[2]。而结构变形因素中水平位移是其主要的一个方面。对于高层住宅结构刚度的保障，对层间位移进行控制是有效的手段。建筑层之间的位移同结构的抗侧刚度是息息相关的，而后者主要是由剪力墙产生的，剪力墙的多少同混凝土钢筋的使用数量也有着直接的关系[3]。因此，可以说对于位移的控制其实就是间接的对结构的造价加以控制。而结构经济性主要是在各控制因素的基础上对剪力墙结构进行最优化的功能和造价设定。为探讨这些控制因素通过实例进行分析。

项目A是某市住宅建筑项目，建筑的面积为30000平米米，地下一层高度为5米，地上18层高度为54米。假设结构的转换层是1层位于地下室的顶板位置。住宅为18层，建筑的主体为剪力墙结构，建筑安全等级为2级，剪力墙结构设计使用时间限制为55年。且该建筑工程抵抗地震的防烈度为6度，剪力墙的抗震等级为4级。根据规定，结构应该根据按照抗震设防烈度6度的要求进行构造。图1是结构平面图。

图1 层结构平面图

2.1 低烈度区结构优化设计控制因素分析

该工程处于低烈度区，对优化前后工程模型的层刚度情况进行对比，对结构在楼层刚度变化导致的结构变形中的规律作出结论。通过SATWE对于结构中的各塔侧移刚度进行阶段，得出侧移刚度值。基于工程实际特点，将地下室作为嵌固端。在结构方案中，因为塔3中有大比例的剪力墙，因此可通过改变其剪力墙的布置以及形式来改变其侧移的刚度，比较各层在地震影响的位移情况。塔在模型中部分层的刚度如表1所示。

表1 部分层刚度情况

结构层 刚度（kN/m2） 平均层间位移

X 方向 Y方向 X方向 Y方向

3 7.8921E+06 1.1514E+07 1/9999 1/9999

4 5.3624E+06 7.0180E+06 1/7260 1/9225

5 4.5790E+06 5.5137E+06 1/6315 1/7439

从表中可以看出，结构刚度减小的时候，层间的位移就会加大。虽然考虑到了结构对建筑功能布局的影响并且进行优化，不過层间的位移角仍然较低。可见，在低烈度区域的层间位移角是不会起到什么作用的。在低烈度区，结构优化设计的控制因素主要是建筑功能的布局以及剪力墙的构造要求和其经济性能。

2.2 高烈度区剪力墙结构优化设计控制因素分析

基于低烈度区对结构优化设计的分析发现，随着地震影响程度的加大，层间的位移角已然高于规范的要求。可见，在高烈度区中，位移对于结构优化设计有控制作用。在抗震设防的8度区的时候，轴压的值也随着提高。可见，在强烈地震的影响下，对剪力墙结构优化设计起着控制作用的主要是建筑楼层的位移情况以及建筑的轴压比[4]。

3.结论

通过分析发现，在不同烈度区，对剪力墙结构优化设计产生控制作用的因素是不同的。在低烈度区，因为结构变形不大，轴压同规定也有存在差异。所以在非强风的影响，水平荷载的影响不高，而且剪力墙结构的墙肢之间的间距也小，因而轴压比和结构变形对其起不到控制，而主要是建筑功能布局和构造要求产生控制作用。而在高烈度区，水平力较大，因此对其结构产生控制作用的主要是结构变形和轴压比。

【参考文献】

[1]王昀. 某高层住宅剪力墙结构体系的优化设计与关键问题探讨[D].西安建筑科技大学，2013.

[2]许昭. 高层住宅剪力墙结构的特点及设计优化探讨[J]. 江西建材，2012，03：65-66.

[3]胡孔鹏. 高层剪力墙结构中剪力墙布置和合理数量的研究[D].合肥工业大学，2012.

[4]刘礼联. 小高层住宅短肢剪力墙结构设计优化措施分析探讨[J]. 中外建筑，2010，05：165-167.