高层板式住宅建筑剪力墙结构的优化设计分析

文/杨宏伟 汉嘉设计集团股份有限公司安徽分公司 安徽合肥 230001

丁翠霞 合肥宝湾国际物流中心有限公司 安徽合肥 230041

我国板式住宅高层建筑多为钢筋混凝土结构，而剪力墙结构由于其整体性强高、抗震性能好、高强度等特点，应用最为普遍。对剪力墙结构进行优化设计能进一步保证建筑在使用过程中的稳定与安全，延长其耐久性。观察现有的板式住宅高层建筑建设，对剪力墙的设计还达不到精细化设计的标准，在结构设计上仍存在较大的优化空间，因此有必要对剪力墙结构的优化设计进行具体分析。

1、板式住宅高层建筑剪力墙结构的优化设计原则

（1）通常情况下，剪力墙的布置要尽可能沿着建筑的中心轴双向对称布置，尽量控制两个方向剪力墙的侧向刚度比在规范容许范围内，从而有效提升剪力墙结构的整体抗震性能[1]。（2）剪力墙应拉伸对齐，保证剪力墙的留孔与窗口有效衔接，增强建筑整体的工整、美观。剪力墙墙肢和连梁受力计算分析需精准可靠，计算出剪力墙的受力状况，为进一步结构整体计算建立良好基础。（3）剪力墙在竖直方向上应贯穿整个建筑物，在不同高度位置，对所用的混凝土标号要求也不同；选取相对应的标号并有效控制剪力墙的刚度突变，防止建筑受外部荷载影响时引起应力集中。（4）剪力墙洞口与墙边间不应形成小墙肢，小墙肢肢长的设计应按照大于三倍墙体厚度的原则，并加强暗柱的设计[1]。（5）长度较长的剪力墙上应设置分布合理的洞口，可将剪力墙分成多段，使用弱连梁进行连接，最大限度保证每一段墙体的高度与其自身截面高度的比值不小于2。长度较短的剪力墙产生裂缝的概率较低，此种情况下，剪力墙的配筋能充分发挥作用，因此剪力墙截面的高度一般要求不大于8米。（6）在板式住宅高层建筑中，应优先设计长墙，其次采用长短结合的剪力墙搭配布置，避免所有剪力墙均设计成短肢剪力墙。若确实需要设计短肢墙，应增设翼缘。当整体结构中短肢剪力墙布置较多时，可选取合适位置设置普通长墙，与短肢剪力墙相结合，提高抵抗水平荷载的能力。（7）在剪力墙设计中，应尽量减小剪力墙平面外弯矩，通常可采用加设扶壁柱或垂直墙肢的方法减弱或平衡剪力墙平面外的弯矩 [2]。截面较小的柱、梁，可使用铰接法设计，释放平面外的弯矩。（8）梁柱设置的位置要避开连梁，其原因是一旦柱梁的端部未达要求，连梁机械强度不足、不能抵抗平面外弯矩，就容易造成连梁平面外开裂。

2、板式住宅高层建筑剪力墙结构优化设计策略

2.1 为后期建筑改造升级留有足够的安全储备

在进行板式住宅高层建筑剪力墙结构设计时，要为后期升级改造留有一定空间，在剪力墙的强度和受力性能满足要求的基础上，为门、窗洞口留下足够的位置，便于门窗设计。洞口的预留要按照建筑设计要求进行，杜绝随意打孔，避免后期重复性的开洞和补孔。对剪力墙上孔洞的位置需提前规划，可将剪力墙用洞口分成几个墙肢，使门窗位置均匀的分配在每个墙肢中间。

2.2 合理设计剪力墙平面布置

剪力墙平面布置的要点主要包括：（1）保证设置的剪力墙平面均匀、对称，尽量让剪力墙的质量重心与整个结构的刚度中心重合或接近，以此来减小结构的整体扭转；并宜将内外墙对齐、拉通[3]。（2）抗震剪力墙的设计要选取在结构两侧设置剪力墙的方案，仅在结构一侧设置剪力墙的方案应予排除。（3）保证剪力墙的设置沿中轴线对称。（4）剪力墙的刚度不能太刚，在保证其抗侧力性能满足要求时还需具备足够的延性。具体设计中，常使用周期 公式进行计算，其中n表示剪力墙的层数。使用上述公式能够计算出剪力墙刚度的范围区间，保证其刚度与层数相符合，以提升剪力墙结构的整体刚度和承载能力。

2.3 对剪力墙的墙肢进行适当处理

剪力墙的设计要保证其具备一定的延性。被用于板式住宅高层建筑的剪力墙高度较大，因此要保证设计的剪力墙具备较好的延性变形能力。长度较大的剪力墙可在墙体内开洞，将其分成多个均匀的墙肢。此种做法能有效降低墙体开裂的几率，即使在使用过程中开裂也不会形成较大的裂缝，可将剪力墙中钢筋的支承作用最大程度的发挥。长墙肢在地震作用下很容易受到破坏，若剪力墙的长度大于8米，就应采取开洞处理的方式将长墙分割成多个连体墙肢，减轻地震作用对墙体带来的破坏。

2.4 合理设计剪力墙的边缘构件

剪力墙的边缘构件主要分为两种类型，即构造型和约束型。在设计剪力墙时，要根据墙体的轴压比和抗震等级设计相应的边缘构件。构造边缘构件主要适用于建筑底部加强部位和四级抗震等级的剪力墙中。当底部加强部位与相邻上一层墙体间的轴压比大于等于规范规定的限值时，需要设计约束边缘构件。

2.5 设计科学合理的转换层

在地震力作用下，建筑底部的剪力墙会承受较大的地震荷载，在较大荷载的作用下，处于底部转换层的剪力墙的承载能力会下降。因此在设计中，要合理设计转换层，当剪力墙的承载能力较小时应对其采取加强措施，以提高剪力墙的抗震承载能力。因此在转换层设计时，要加强墙柱的内力计算和构造措施，增强转换层构件对地震剪力的分配能力，提升转换层的延性。

3、案例分析

某板式高层住宅，地上30层、地下一层，总高度为89.9米，总建筑面积达13980平方米，设计的抗震设防烈度为8级。该建筑地上30层的结构平面统一设置。竖向刚度变化主要受混凝土强度和构件截面的大小影响，不宜进行频繁变化。但变化的次数少又会导致每次变化的幅度过大而影响剪力墙的刚度。最后，采取按照楼层自下而上逐渐降低混凝土强度和减小截面的渐进布置方案。具体情况如下：混凝土：1到14层，梁、板部分设置为C35，其他为C30；墙、柱的部分1到7层为C40,8到19层为C35，其他为C30。墙体截面：1到5层为300mm，6到13层为250mm，其他为200mm。经过多个方案的对比研究，墙体截面最终选定将1到3层的剪力墙厚度优化为250mm，保证平面中横纵两个方向的刚度大致相同，如图1。

图1 最终优化方案

具体的计算参数如下：混凝土和钢材的容重分别设置为27.0kN/m3和78.0kN/m3，建筑中使用的主筋、箍筋、墙分布筋等的强度均设置为360N/mm2。连梁刚度折减系数为0.55，活荷载质量折减系数为0.5，周期折减系数为0.9，结构阻尼比为0.05，结构特征周期为0.35s，最大多遇地震与罕遇地震的影响系数分别为0.16、0.9。设计时，采用PKPM系列软件对各个方案进行对比分析，主要关注楼层侧移刚度、地震反应力、层间位移角等信息，最终选取上述方案。此外优化工作还对各方案的混凝土和钢筋使用情况进行对比，最佳方案的混凝土、钢筋使用量分别为0.4025m3/m2和44.3069kg/m2，该方案的材料用量较其他方案具有明显优势。该优化方案还对建筑层数进行调整，如表1。对高宽比的变化进行研究分析，观察高宽比与混凝土、钢筋含量之间的数量关系，得出高宽比增加会导致混凝土用量线性增加、钢筋用量的增加速率逐渐减弱的结论。

表1 建筑层数调整

结论：

高层板式住宅建筑在实际工程建设中的比重越来越大，为保证业主的居住安全，进行高层板式住宅建筑剪力墙结构的优化设计非常必要。在剪力墙结构设计中，要严格按照相关规范和规程的要求进行，重点分析钢筋、混凝土等经济指标，把握剪力墙结构优化的关键点，具体问题具体分析。并不断总结实际工程中剪力墙结构优化设计的经验，不断提升高层板式住宅建筑的设计质量，创造更大的社会效益。