基于高层住宅中混凝土剪力墙结构优化设计分析

文/唐景文 长沙市建筑设计院有限责任公司 湖南长沙 410000

1、引言

近年来，受城市用地紧张的影响，我国的民用住宅逐步向高层化发展。高层建筑的高容积率和低土地占用率，极大的缓解了城市人口暴增后的居住和空间问题。混凝土剪力墙结构因其具有较好的灵活性，能够满足建筑的各种功能需求，且稳定性和抗震性都较强的特点，在高层住宅中应用十分广泛。

2、高层住宅混凝土剪力墙结构概述

2.1 混凝土剪力墙结构及其特点

在高层建筑当中，通过混凝土构成的墙体结构以及楼板来代替框架结构中的梁柱，实现承重的目的，就是混凝土剪力墙（如图1）。其主要特点表现为以下几个方面：

（1）承载能力较强，同时还具备较强的抗侧力能力；

（2）受到水平荷载的作用时，抵抗能力较强，很难发生侧移，能够为建筑提供更大的室内空间；

（3）剪力墙自身的重量较大，当发生地震时，抗震性能较好；

（4）在进行施工时，工序较为繁琐，对工艺的要求较高，相对整体成本支出也较大；

图1 混凝土剪力墙平面结构图

2.2 混凝土剪力墙结构优化设计原则

混凝土剪力墙结构作为高层住宅结构的主要结构，其设计水平的高低，不仅关系着建筑结构的经济利益，而且对整栋建筑结构的安全与稳定有着巨大的影响。因此，应对混凝土剪力墙结构进行优化设计，相关基本原则有以下几点：

（1）在优化设计中，用尽量减少混凝土剪力墙在建筑结构中使用的数量；

（2）在建筑结构设计时，对于墙肢的设计，应减少相关边缘构件的数量；

（3）在进行混凝土剪力墙设计时，应参考即使用较少的抗侧力构件，又可以满足建筑的抗侧和抗扭刚度设计要求。

3、高层住宅中混凝土剪力墙结构的优化设计分析

3.1 混凝土剪力墙整体结构设计上“强周边、弱中部”

这种混凝土剪力墙结构优化的核心在于，进行剪力墙设计时，应尽量将建筑外围的墙体设计为剪力墙，而对于高层住宅中部，要尽量设计较少或者不设置混凝土剪力墙。部分高层建筑还会将住宅的窗台位置，设计成高连梁形式，来提升剪力墙结构的刚度。这种优化设计方案的特点是：

（1）可以有效的提升高层住宅建筑的抗扭刚度，能够有效的对周期比、位移比等关键建筑指标进行控制。

（2）通过混凝土剪力墙的设置，建筑的外墙防渗透性能得到了有效提升，防水性能更强。

3.2 混凝土剪力墙长度设计上“多均匀长墙、少短墙”

在进行混凝土剪力墙结构优化设计时，可以考虑将剪力墙放在整个建筑结构承受能力、竖向荷载能力最佳的隔墙位置，这是在设计时，需要注意几点设计要点：

（1）相邻混凝土剪力墙之间的间距要增大，避免短距离出现多道混凝土剪力墙；

（2）可以通过延长混凝土剪力墙的墙肢长度，来降低混凝土剪力墙设计的数量，一般情况下，剪力墙的长度要小于8米。

这样设计的核心在于，通过增加混凝土剪力墙的长度，达到减少混凝土剪力墙的数量的目的，还能提升建筑住宅结构的抗侧性能和减少边缘构件的使用数量。此外，通过剪力墙的数量减少，以及相邻剪力墙的距离增大，提升了高层住宅的建筑空间。

3.3 墙肢更多选择L、T、十字形，少形状转折

如果在进行高层住宅混凝土剪力墙结构设计时，剪力墙出现较多的转折或者小墙垛设计，可能会导致暗柱数量的增加，从而对建筑当中的边缘构件造成影响。因此，设计过程中，应注意减少或者杜绝这种情况的出现。例如：可以通过将混凝土剪力墙的形状设计成L形、T形或者井字形等（如图2），代替较小的或者连续的剪力墙转折。

图2 剪力墙截面形状

3.4 墙肢间多连续、少半框，避免独立墙肢出现

在进行混凝土剪力墙结构设计时，可以考虑将不同方向的剪力墙，通过相连的连梁、框架梁，将它们组成一个整体结构，不仅提升了高层住宅的抗震性能，而且还具备很好的抗风效果。此外，在进行设计时，为了提升整个高层住宅的抗侧刚度，减少剪力墙的设置数量，应尽量避免设计中出现半框墙肢，尤其是独立墙肢的出现。

3.5 剪力墙配筋优化设计

一般情况下，在进行混凝土剪力墙配筋时，都是按照最小的配筋率进行构造配筋。影响混凝土剪力墙钢筋用量的主要因素是剪力墙的厚度，所以在进行剪力墙设计时，应重点加强对混凝土剪力墙厚度的控制。

在对高层住宅的抗震性能进行设计时，如果经过测算，底层剪力墙的轴压比符合建筑的抗震规范要求，在设计时，可以只设置构造边缘构件。如果轴压比已经超过了规定要求（如表1所示），则需要增加约束边缘构件。两者的差别，对进行混凝土剪力墙配筋有着巨大的影响。因此，在进行设计时，可以通过提升剪力墙肢的界面面积，确保轴压比符合建筑抗震规范要求，这样就可有有效的减少钢筋的使用量，提升整栋建筑的经济效益。

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3.6 剪力墙厚应该沿住宅结构整体高度均匀变化

如果在混凝土剪力墙的设计中，出现上下厚度不均匀的情况，会降低建筑的刚度，减弱建筑物的抗震性能。因此，在进行剪力墙结构设计时，对于剪力墙的厚度，应当参考住宅结构的整体高度，随着高度的增加，均匀的变化。

结语：

综上所述，随着我国城市化脚步的不断加快，城市的人口呈现爆炸式的增长，与此同时，建筑住宅用地的不足，导致城市居民的居住问题日益突出。高层住宅建筑在此背景下，得到了迅猛的发展。作为高层住宅主要的建筑结构之一，混凝土剪力墙结构由于抗震性能好，安全系数高的特点，被广泛应用。相关建筑结构设计者，应当不断提升对混凝土剪力墙结构的熟悉和了解，采用科学的方法对设计方案不断的优化和完善，推动我国高层住宅建筑的可持续发展。