某高层剪力墙住宅结构布置和优化设计分析

谢汝剑

[摘要]本文基于高层剪力墙住宅建筑结构设计工作实例，详细介绍了整体结构布置和结构分析到局部构造措施，目标为从结构设计角度加强该项目的成本（投资）控制、工期控制和质量控制，确保提升本项目的综合效益，建设结果验证了优化效果较为理想。

[关键词]剪力墙结构；高层住宅；结构选型，优化设计

文章编号：2095-4085（2016）05-0052-03

高层住宅建筑既要满足结构方面的安全耐久要求，又要实现用户功能上的个性需求，通常受力复杂、用料多，需要合理考虑布局、受力及材料，结构设计面临着住宅建筑经济性、可靠性甚至安全性诸多问题考验。从应用层面分析对比发现，剪力墙结构在住宅建筑中的使用能够达到较高的综合效益，17层左右的高层建筑较5层左右住宅要节约45%左右土地资源，因此，在该领域应用广泛，在我国超过了72%的使用比例，设计过程中严格考虑布置和优化措施意义较大。剪力墙住宅建筑结构优化重点在于整体布置、功能、体系、尺寸、形状到构造等各方面的综合考量，同时反映出成本效益，应用较多的工具，是一项系统性较强的工作。

1.工程概况

工程位于辽宁省盘锦市，五栋高层住宅建筑中两栋18层（主体高度55.3m）、三栋17层（主体高度53.9m），基础埋深为3m，采用钢筋混凝土剪力墙结构体系。建筑抗震等级为三级，抗震措施采用7度设防烈度，结构安全等级为二级，建筑物耐火等级为二级，结构整体计算采用SATWE程序。

2.结构布置

本项目着重分析该类型建筑中剪力墙的布置和梁板的布置问题。按照每个标准层的单位面积计算，经统计发现，在7度设防烈度区域通常剪力墙墙身的用钢量达到45%到65%，而边缘构件此比例为30%到50%，布置好剪力墙可以实现较好的经济效益。布置住宅建筑剪力墙需遵从降低剪力墙数量、降低边缘构件数量、用抗侧力构件占比尽量少的方案达到建筑抗侧和抗扭刚度的要求等原则。设计过程中主要使用强周边、弱中间，均匀长墙优先、短墙减少，L，T、十字等规则墙肢优先、复杂转折形式减少，连续形式增高、半框形式减少，建筑结构在高度上变化均匀，墙肢的轴压比尽量差距降低等方法。

该类型建筑统计数据同样发现梁板布置作用同样重要，通常用钢量达到35%到55%，由于高层住宅通常并不存在非常大的荷载，优化余地较多。本项目按照规范最低限值的挠度、裂缝和管道设备进行分析，遵循传力路径简明、跨度做到3.0～5.0m的经济跨度、降低高连梁使用等原则。

3.结构分析

结合建筑特点、规范要求和综合指标构建了结构布置，构建两种对比初步结构模型进行了试算，试算从铰接模型调整后进行刚接模型二次试算，调整结构位移比、周期比以及层问位移角。其中进行的位移比优化效果如表1所示。

两个模型均能够满足规范要求，优化后的模型整体稳定性更优，更能抵抗最不利条件。其他参数的优化调整同样遵循深化对比分析的思路，最后进行整体分析，选择统筹效果最佳的结构方案。结构计算过程中发现个别连梁出现了超筋问题，采取增加洞口宽度、降低梁界面、提高连梁跨高比、转移地震力等方法均能起到较好的效果。

图1所示为经过上述优化思路处理后的部分标准层结构布置和初步配筋情况。

4.构造措施

本项目结构设计过程中从墙的配筋和梁的配筋两个方面深入优化了构造措施。

墙带翼缘边缘构件通常配筋量都比较大，本项目中针对该细部构造采取了剪力墙组合配筋形式进行独立计算配筋，降低此类构造措施配筋超过30%，运算初值需要参照经验代入。墙肢之间有较高连梁的小开口整体墙中，开洞所产生一字墙配筋可以针对洞口两侧按照构造边缘构件配筋，不考虑短肢剪力墙，在L形、T形和十字形剪力墙中可以参照类似的措施，减小短肢剪力墙的定义范围。L形与T形剪力墙会出现腹板同翼缘难以匹配的情况，在构造上需要放宽翼缘的边缘构件要求，十字形剪力墙中出现类似情况时可以以暗柱考虑构造情况。对于厚度大于300mm单片短肢剪力墙，构造上按照普通剪力墙或者框架柱运算效果更好。构造上还需要考虑高强度混凝土或温度应力集中区域的收缩应力与温度应力控制，以减少裂缝产生的可能，通常可提高水平分布筋配置用量。为了锚固住连梁、竖向钢筋与框架梁纵筋，剪力墙顶部的暗梁效果显著，暗梁设计高度可取400～500mm，纵筋与箍筋按照构造要求设计。

考虑到地震作用影响，本高层住宅剪力墙结构的连梁和框架梁内力与配筋计算过程中归并了部分楼层，减少竖向变化，配筋差别较大的独立配筋，尽量节省用钢。对于锚固足够且支座弯矩过大的梁（超过总弯矩30%）按照框架梁进行构造设计，与之相对应的剪力墙处以暗柱配筋构造处理。

5.成本控制措施

结合同类项目结构设计经验，本项目设计中推荐隔墙采用类似于加气混凝土砌块的轻质墙体，在降低荷载与地震作用的同时，减少了成本。受力集中的暗柱和梁等处建议使用高强钢筋，可以降低配筋量。在运算处理过程中的荷载阶段，细化墙体荷载优化（如扣除门窗洞口等）以减少非必要性荷载参与计算。

结构布置的优劣对于成本控制效果显著，同时还需要做到精细计算。剪力墙布置在充分考虑水平和竖向承重条件下应该尽量扩大间距；沿着建筑竖向的剪力墙要保持均匀变化的厚度设计；剪力墙轴压比和层间位移角等参数设计要靠近规范限制值，降低剪力墙使用量和结构自重。

构建模型进行运算过程需要精细化，导出的计算结果进行复核后要作为配筋执行依据，设计过程中参数选择要严谨，各项放大系数要有依据，确保结构的安全。

6.结语

本项目估价约4.3亿元，于2014年竣工验收，施工效果显示其达到了预期的结构优化设计目标。从剪力墙布置和梁板布置着手，并在电算基础上强化手算和分析，严格控制配筋量，从而实现了用钢量控制；在大的结构布置和小的构造精细计算等多个方面着手，充分发掘剪力墙细部构造措施优化潜力，增加优化措施，确保本项目受力合理、结构安全且严格控制造价。