剪力墙结构的优化设计

2016-03-14李福强辛海亮

工程技术研究 2016年10期

关键词：墙肢层间剪力墙

李福强，辛海亮

（1.中国建筑东北设计研究院有限公司，辽宁沈阳 110000；2.青岛市城市规划设计研究院，山东青岛 266071）

剪力墙结构的优化设计

李福强1，辛海亮2

（1.中国建筑东北设计研究院有限公司，辽宁沈阳 110000；2.青岛市城市规划设计研究院，山东青岛 266071）

文章以剪力墙结构的优化设计作为研究对象，从剪力墙的布置原则、剪力墙的数量及合理间距和剪力墙的墙肢合理长度等三个主要方面做了系统的研究及介绍，使剪力墙结构设计得到优化，提高了建筑产品的性价比，降低了工程造价。

剪力墙结构；优化设计；用钢量

1 剪力墙的布置原则

（1）平面布置宜简单、规则，宜沿两个主轴方向或其它方向双向布置，两个方向的侧向刚度不宜相差过大；宜上、下连续、对称布置。

（2）门窗洞口宜上下对齐，成列布置。一、二、三级抗震时，底部加强部位不宜采用错洞墙，且所有部位不宜采用洞口局部重叠的叠合错洞墙。

（3）当墙肢较长时宜开设洞口，各墙段间宜设置跨高比大于6的弱连梁。墙肢长度不宜超过8m，且墙段总高与墙肢高度之比宜大于3。

（4）剪力墙宜均匀布置在建筑物四周附近、楼体间、电梯间、平面形状变化及恒载较大部位。

（5）平面凹凸较大时，宜在凸出部分的端部附近布置剪力墙。

（6）纵横剪力墙宜组成L形，T形和［形等形状。

（7）抗震设防烈度为9度的剪力墙结构和B级高度的高层剪力墙结构不应在外墙开设角窗。抗震设防烈度为7度和8度时，高层剪力墙结构不宜在外墙角部开设角窗，必须设置时应加强其抗震措施。

2 剪力墙的数量及合理间距

2.1 剪力墙的数量

剪力墙的数量决定着建筑物刚度的大小。对于钢筋混凝土结构来说，刚度较大的结构一般震害较轻，但建筑物刚度太大就会影响经济性。一般情况下，建筑物刚度越大，经济性越差。控制建筑物刚度的因素有两个，一是层间位移角，二是剪重比。一般情况下，剪重比和层间位移角的大小与结构刚度成正比。因在剪重比偏小的情况下，有时也会出现结构顶点层间位移角满足规范要求，剪力墙边缘构件为构造配筋的“安全”假象，所以把剪重比控制在一个合理范围内，检查结构的位移、内力及配筋等才有意义。剪重比越接近规范要求的最小值，结构刚度就越小，剪力墙数量也就越少，结构越经济。同样，层间位移角越接近规范要求的最小值，结构刚度就越小，剪力墙数量也就越少，结构越经济。为使剪重比和层间位移角同时接近规范最小值，需要科学的优化剪力墙的布置及数量。

2.2 剪力墙的合理间距

在高层住宅中，开间均较小，墙体较多，可一部分墙体采用剪力墙，另一部分采用加气混凝土砌块隔墙，根据抗震设防烈度及抗震等级优化调整剪力墙间距。结构体系中剪力墙间距越大，数量越少，结构自重及结构整体刚度就会越小，结构所受的地震力就会越小，这样结构越经济。但一般剪力墙间距不宜大于7m，剪力墙间距过大容易引起结构整体刚度偏弱；会造成剪力墙间梁跨度变大、梁截面高度变大及梁配筋太大；而一般剪力墙厚度只有200mm，与剪力墙平面外相连的梁，若所配纵筋筋直径太大，其在剪力墙水平段的锚固长度很难满足规范要求。另外，剪力墙间距太大，会造成筏板基础支座间距太大，这样筏板的厚度及配筋都会增大。

另外，剪力墙的布置应满足国家规范规定的剪重比、层间位移角、位移比和周期比等整体指标要求，做到安全适用，经济合理，将结构水平位移和地震力控制在合理的范围内。这样设计出来的结构才能既经济又合理。

3 剪力墙的墙肢长度

当墙肢截面高度与厚度之比大于4时均称为剪力墙，剪力墙分为短肢剪力墙和一般剪力墙。短肢剪力墙是指截面厚度不大于300mm、各肢截面高度与厚度之比的最大值大于4且不大于8的剪力墙。规范中对短肢剪力墙的配筋及在结构中的数量都有明确规定，在结构设计中特别是高层结构中应尽量少布置短肢剪力墙。

本文在第（3）条中已提到，剪力墙的墙肢长度不宜超过8m；是不是布置剪力墙时墙肢长度只需满足不大于8m即可？这是不经济的。影响墙肢长度的因素有轴压比、层间位移角和剪重比。在满足规范对结构整体指标及轴压比的要求下，剪力墙的墙肢长度应尽量短。住宅中剪力墙厚度一般为200mm，那么墙肢长度不小于1650mm即可满足非短肢剪力墙的要求，故在满足规范轴压比的条件下，墙肢长度尽量取1650。钢筋混凝土剪力墙的墙肢减短，除剪力墙自身的混凝土用量及钢筋用量可减少外，变短的剪力墙可以减轻结构重量，降低结构刚度，从而大大降低地震力，这样框架梁及连梁的配筋可以大大减小，从而降低用钢量。当然结构外围横向两侧的剪力墙长度需适当变长，以增加结构的抗扭刚度。

在剪力墙数量及墙肢长度已定的前提下，为增强剪力墙构件及结构整体稳定性，剪力墙应带有翼墙，翼墙的长度应不小于3倍翼墙厚度。