高层住宅剪力墙结构优化设计

赵体栋 申纪伟

(重庆三峡学院，重庆 404000)



高层住宅剪力墙结构优化设计

赵体栋 申纪伟

(重庆三峡学院，重庆 404000)

基于剪力墙结构布置应遵循的原则，探讨了某高层住宅剪力墙结构的优化设计方案，并分析了控制建筑结构成本的方法，旨在使建筑结构设计达到安全、经济、适用的目标。

剪力墙，结构布置，经济性，结构计算

0 引言

在高层住宅的各类结构体系中，剪力墙结构由于经济指标最好，而成为高层住宅中最主要的结构形式。鉴于该结构形式量大面广，而开发商更加注重成本的控制，因此，怎样用最少的资源设计出既符合建筑使用要求又能保证安全的结构成为每位结构设计人员必须考虑的问题。

剪力墙结构的经济性由梁、板、剪力墙的布置决定。楼屋盖主要承受竖向荷载，同时肩负着传递水平荷载的作用。如果剪力墙的间距过大，势必增大楼屋盖的负担，影响水平力向剪力墙的传递。因此，剪力墙的间距受到了限制，相应也限制了梁的灵活布置。所以，剪力墙结构的经济性主要取决于剪力墙的合理布置。

1 剪力墙结构布置

剪力墙结构的布置应遵循的原则：刚度适中，平面布置宜简单、规则，竖向刚度变化均匀，剪力墙的门窗洞口宜上下对齐，剪力墙的长度适中。详细的措施如下：

1)结构布置尽可能的对称。结构的对称与否与建筑的平面布置息息相关，对称的建筑很容易实现结构的对称布置，而不对称的建筑平面布置，如平面形式为曲线形、折线形、T形、L形等高层住宅建筑，则应力求实现内部结构的基本对称，这主要取决于结构设计人员结合建筑的平面布置和使用要求精心的进行结构布置，具体方法为：通过调整电梯剪力墙筒体和剪力墙的布置，使结构的刚心和质心尽可能的接近，从而减少结构的扭转效应。不对称的结构布置，必然两侧的刚度不等，在水平侧向力的作用下，刚度大的一侧变形小，刚度小的一侧变形大，导致结构产生扭转，结构的扭转进一步削弱了结构抵抗侧移的能力。

2)同一主轴方向各片剪力墙的刚度宜均匀。同一主轴方向各片剪力墙的抗侧刚度尽量均匀，避免在某个部位设置过长的剪力墙。如果个别墙肢过长，当地震发生时，较长的墙肢由于其刚度较大，会吸收较多的地震能量，应力集中现象特别突出，很容易首先发生破坏，进而引起与其相连的其他墙肢的破坏，直至结构发生倒塌。同一主轴方向各片剪力墙的刚度均匀，在水平力作用下剪力墙的应力分布均匀，剪力墙的延性要求更容易实现。

3)尽量避免设计成一字形剪力墙。一字形剪力墙由于没有翼墙的约束，平面外刚度很小，承受平面外的力时，很容易丧失稳定，因此，剪力墙结构中应尽量避免设置一字形剪力墙。在布置剪力墙时，为了符合建筑设计的要求，必须设置一字形剪力墙，则一字形短肢剪力墙应采取比带翼墙短肢剪力墙更严格的抗震措施(轴压比限值再降0.1)。

4)负荷面积相同的剪力墙轴压比宜接近。在竖向荷载作用下，负荷面积相同的剪力墙其轴压比应接近。为了控制成本，应使各墙肢的轴压比接近JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程(简称高规)的限值规定。轴压比相差较大，柱的变形相差较大，为了保持变形的一致，必须通过剪力墙连梁或者框架梁来调整，势必增大梁的配筋，给来的配筋带来一定困难。

5)结构沿竖刚度均匀分布。底部的剪力墙承受的压力最大，为了满足轴压比的要求，底部应设置较厚的剪力墙，而上部剪力墙承受的压力小，剪力墙的厚度相对小一些，而且，剪力墙的厚度宜均匀变化，否则，在厚度突变处，产生应力集中，首先遭受破坏。

2 结构计算

2.1 结构试算

一般可先根据建筑的布置，初步确定建立几个标准层，然后进行结构的组装；计算时可先不考虑地震作用，查看剪力墙单独在竖向荷载作用下的轴压比情况，要求各墙肢的轴压比应当均匀；否则，应采取调整剪力墙墙肢长度、厚度及混凝土强度等级，进行结构的二次分析，其结构应符合《高规》中关于层间位移、周期比、位移比等反应结构整体计算指标的要求。

2.2 结构计算二次调整

若周期比、位移比不满足《高规》的要求，则应采取下列措施：1)增大结构外围剪力墙的刚度，进而提高结构整体的扭转刚度；2)减小结构中部剪力墙的数量或者改变中部剪力墙的布置，使得结构的平动周期增大，进而间接达到减小周期比、位移比的要求；3)查看结构的空间振型图，找到位移相对比较大的位置，并在该位置布设剪力墙，重新进行结构计算使其层间位移、周期比、位移比等指标符合规范的要求。

2.3 结构计算中典型问题的处理

1)连梁超筋。连梁主要承受水平荷载，竖向荷载一般不起控制作用。在水平荷载作用下，连梁经常出现超筋现象，采用增大截面法的措施效果不好，应降低连梁刚度，进而减小地震作用，具体可采取下列措施：加宽洞口，增大梁的跨高比；降低梁高；容许开裂，对连梁刚度进行折减。

2)为了避免设计成短肢剪力墙，对于厚度为200 mm的剪力墙，墙体长度设计成1 600 mm～1 700 mm就不合适，若必须设计成短肢剪力墙，那么短肢剪力墙所占的份额不应太大。

3)避免楼面梁与剪力墙平面外相交。剪力墙平面外刚度及承载力较小，如必须设置与剪力墙平面外相交的楼面梁，则应在墙体的相应位置设置暗柱、扶壁柱或者沿梁长方面设置剪力墙。

3 控制建筑结构成本的方法

3.1 填充墙采用轻质高强材料

填充墙采用轻质高强材料，一方面可以减轻梁的负担，减少梁的配筋量；另一方面，结构总体刚度降低，承受的地震作用减少，基础造价降低。剪力墙边缘构件、梁、板采用高强钢筋，可以减少钢筋用量，降低工程总造价。

3.2 精细的荷载计算

在结构的荷载计算过程中，墙体的荷载计算出入最大，其原因主要是关于门窗洞口的荷载折减多少的问题，折减的太多可能不安全，折减的太少，墙体荷载偏大，梁的配筋较多，不经济。因此，墙体的荷载计算应当精细，可以根据洞口面积与墙体总面积的比值的大小进行折减，当洞口面积所占比例较大时，应当另外考虑窗体的自重。

3.3 精细的结构计算与合理的结构布置

1)当剪力墙仅考虑竖向荷载作用下，各墙肢的轴压比尽量接近；2)墙体厚度较大时，连梁或者框架梁的宽度可以不与梁同宽；3)沿竖向剪力墙厚度变化宜均匀；4)在确保结构具有足够的承受竖向及水平向荷载能力时，剪力墙之间的间距尽量拉大；5)各墙肢之间应由框架梁或连梁链接，避免出现悬臂墙肢；6)层间位移角接近《高规》中的限值。

4 工程实例

4.1 工程概况

某工程地上18层，地下1层，本工程总建筑面积10 374.57 m2，建筑高度54.4 m，标准层结构布置图详见图1。设计基准期为50年，设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级，结构重要性系数为1.0。抗震设防烈度6度，设计基本地震加速度值为0.05g，水平地震影响系数最大值为0.04 。场地类别Ⅰ1类，设计地震分组第一组，特征周期为0.25 s。墙柱混凝土强度等级：基础顶面-9.000 m混凝土强度等级为C35,9.000 m以上混凝土强度等级为C30。梁板中的受力钢筋采用HRB400级钢筋，分布钢筋采用HPB300荷载按规范取值，墙体采用烧结页岩空心砖。

4.2 工程经济指标

本工程按照上述原则进行剪力墙结构的设计，混凝土用量为0.221 m3/m2，对于一个高度为54.4 m的A级高度的建筑，其混凝土用量经济指标较好。梁、板、墙体中的钢筋用量见表1。

表1 工程钢筋用量 kg/m2

4.3 经济性分析

针对本工程，剪力墙钢筋用量最大，其次是梁和板，从表格中各构件的用钢量可以看出，对于高层建筑剪力墙结构住宅，总共钢量中剪力墙钢筋用量所占份额最大，因此，结构设计人员应特别注意剪力墙的布置问题，另外，根据电算结果进行配筋时也不应随意增大配筋。

5 结语

对结构设计进行优化并不是按照相关规范的下限进行结构的设计，而是应该最大程度的发挥材料性能。对于结构设计软件不能准确分析的关键部位以及影响结构性能的重点部位，应用其他结构设计软件进行补充分析或者对于重要部位从概念上予以加强。

在建筑设计的初步阶段，结构设计师应与建筑设计师就剪力墙的布置多做沟通与协调，以避免由于建筑方案所造成的严重不规则。结构的优化设计涉及到多个专业，比如，建筑、电器、暖通、给排水等，因此，务必注意各个专业的协调与沟通。结构布置的好坏，直接关系到房屋建设成本的高低，一个好的结构布置及后期的精心设计就会形成一个比较优秀的设计方案，从而得到安全、适用、经济的目的。

[1] JGJ 3—2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2] 蒋 宇.浅谈剪力墙结构中墙体布置与经济性[J].建筑结构，2011,41(S2)：46-48.

[3] 刘昌军,李海洲.浅谈建筑结构中剪力墙的布置[J].建筑结构，2011,41(S1)：684-685.

[4] 傅学怡.实用高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社,2010:6-8.

[5] 冯中伟,刘宜丰.高层剪力墙住宅结构优化设计[J].建筑结构，2010,40(9)：124-127.

The optimization design of high-rise residential shear wall structure

Zhao Tidong Shen Jiwei

(Chongqing Three Gorges University, Chongqing 404000, China)

Based on the principles of shear wall structure layout should follow, this paper discussed the optimization design scheme of a high-rise shear wall structure, and analyzed the methods control of building structures cost, in order to make the building structures design to achieve the safety, economy, applicable target.

shear wall, structure layout, economy, structure calculation

1009-6825(2016)34-0054-03

2016-09-23

赵体栋(1986- )，男，助教

TU973

A