基于抗震设防烈度的高层建筑剪力墙结构优化

冼静雯

（广州博厦建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510000）

随着住宅产业的蓬勃发展，目前全国已建成的高层住宅采用剪力墙结构的占到90%左右［1，2］。在研读近些年大量国内外参考文献、国家《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016年修订版） （以下简称《抗规》）和《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）在高层建筑结构设计的经济性及安全性等方面的明确规定［3］后，本文将以广东地区高层住宅剪力墙结构为研究背景，依据建筑功能的要求以及结构本身的一些特点，对该剪力墙结构中剪力墙的结构进行了适当的优化，然后通过对比优化前后的结构方案，分析其抗震性能，以达到安全与经济并存的目的。

1 剪力墙结构优化原则

剪力墙通常也被叫做抗震墙，具有相当大的抗侧刚度，能有效的抵抗水平荷载作用，缺点就是平面布置不是特别灵活，吸收的地震能量也很大。进行剪力墙结构优化，其好坏将直接影响整个结构整体性和经济性指标。剪力墙优化布置原则如下：在满足规范要求的位移、抗侧力、抗扭转等要求下，尽量减少剪力墙的数量，并且采取有效措施减少边缘构件的数量等。

1.1 满足周边强、中部弱布置原则

应尽可能在结构周边及外围布置剪力墙，必要时设置外圈高连梁以提高结构整体刚度。在结构中部，特别是楼电梯间的位置，尽量减少剪力墙的数量，实现整体结构的抗扭刚度提高，增加抗倾覆能力，便于控制结构的周期比和位移比等重要指标。同时剪力墙宜沿建筑物的两个主轴方向双向均匀布置，并尽量使结构刚度中心与质量中心重合，减少结构自身的扭转效应。

1.2 尽量采减少短肢墙及超长墙的数量

结构设计时应尽量加长剪力墙墙肢的长度（但不宜大于8米），并减少短肢墙的数量，避免在小开间里设置多道剪力墙。通过这样设计，可以高效发挥剪力墙的抗侧移性能前提下，减少剪力墙布置的数量。同时，剪力墙数量减少后，边缘构件的数量和暗柱的配筋面积相应降低，剪力墙之间的间距得到扩大，建筑的空间灵活性得到提高。另外，在结构设计中还是应该避免个别墙肢使用超长墙。超长墙因其刚度大，承担的总地震力比例高，在超过设防烈度地震的作用下超长墙会首先破坏（受弯后产生的裂缝宽度会很大，墙体的配筋容易拉断），其余剪力墙由于无法起到二道抗震防线的作用，结构有可能发生由局部超长墙破坏导致的连续倒塌。可通过在这类墙体中部设置洞口（跨高比＞6的弱连梁），将其分为长度较小的墙段，使每个墙段成为高宽比大于3的独立墙肢或联肢墙，避免因应力集中导致的结构安全问题。

1.3 少用复杂形状异形墙及一字墙

剪力墙结构布置时，应多采用L型、T型墙肢，这类型墙体稳定性好，且能满足框架梁钢筋在墙肢端部的锚固构造要求。另外，由于连续转折墙体会增加边缘构件的数量，而一字墙在水平地震作用力下容易出现平面外稳定性破坏，基于结构安全和经济性要求，也尽量少用连续转折墙体和一字墙。

下面结合高层住宅建筑实例，对其剪力墙结构进行优化分析。

2 工程概况

下面选取广东地区一个高层住宅层工程实例，探究设防烈度下该种户型方案的最佳优化方案，并对比分析前后优化方案下的结构性能和抗震能力，以便为现实设计提供参考。

工程为高层住宅楼，总建筑面积为9314m2，设有1层地下室，地上有28层，标准层为住宅，层高2.90m。本工程按7度丙类建筑物进行结构设计，场地类别为Ⅱ类，其剪力墙抗震等级为二级，设防地震分组为第一组，设计地震烈度为7度，地下室顶板为上部结构嵌固端。结构标准层平面最初布置见图1。

图1 结构原模型平面图

3 基于抗震设防烈度的剪力墙结构优化

目前高度在100m以下的钢筋混凝土剪力墙结构住宅的设计一般未对剪力墙墙肢沿层数自下而上减小长度的细化设计，因此对剪力墙结构进行剪力墙墙肢沿层数自下而上减小长度的优化研究具有提高结构抗震性能和经济效益的作用。

针对广东地区常用的剪力墙结构布置形式，本文选取位于设防烈度为7度（0.1g）的广东地区的建筑住宅为研究对象，重点对剪力墙墙肢的长度优化。

根据高层建筑混凝土结构技术规程规定，抗震设计时，剪力墙底部加强区的范围，应从地下室顶板算起，可取两层和墙体总高度的1/10二者的较大值。从第10层开始选轴压比离限值较大的剪力墙墙肢，采取每隔一定层数减小剪力墙墙肢一定长度的方式进行优化，且在规定的水平地震作用下，短肢剪力墙承担的底部倾覆力矩不宜大于结构底部总地震倾覆力矩的50%；所以在优化的过程中尽量使剩余墙肢长度大于8倍墙厚，这样保证优化后的结构符合规范要求，根据以上要求，下面按自下而上逐渐减小剪力墙墙肢长度原则进行优化，并对优化前后的结构进行分析进行探讨。

剪力墙结构在进行设计时很重视墙肢长度的问题，因为当墙肢长度过长时，墙肢在受弯后产生的裂缝宽度，墙体的配筋容易拉断，相反，当墙肢长短过小，则有可能变成短肢剪力墙，不利于抗震。因此进行剪力墙结构布置时，需要注意墙肢长度的影响。

参照项目以上建筑平面布置图1，在满足建筑使用功能的基础上，按自下而上逐渐减小剪力墙墙肢长度原则进行优化，优化后模型10～14层剪力墙布置见图2，15～19层剪力墙布置图见图3，20～28层剪力墙布置图见图4。

图2 优化后模型10～14层剪力墙布置

图3 优化后模型15～19层剪力墙布置

图4 优化后模型20～28层剪力墙布置

在STAWE软件中，可以直接通过查看计算结果来得到各种工况下层间位移角。优化前模型，在地震作用下，X向1/1116，Y向1/1309，优化后模型X向1/1062，Y向1/1166。在调整过程中分析发现：优化前后结构都符合规范关于楼层最大层间位移角限值的规定。优化后在两种工况下的最大层间位移角比优化前相应工况下的层间位移角稍大且更加接近规范限值，说明优化后结构刚度较优化前变小，构件设置更加合理，可以适当减少墙肢长度。

优化前位移比结构X向1.11，Y向1.06，优化后位移比结构X向1.10，Y向1.04，优化后的X向、Y向的位移比都有所减小，说明优化后的刚度分布更加合理，扭转减小。

另外，首层轴压比在0.40～0.44之间的剪力墙数量最多，而在0.30～0.34之间的没有。优化后的轴压比在0.35～0.39之间的剪力墙最多，0.40～0.49之间次之。通过对比可以得出优化后模型轴压比普遍减小，这是由于自下而上减小剪力墙墙肢长度使结构整体自重减小，以及整体刚度减小，结构吸收的地震作用减小的结果，使得剪力墙竖向承载力具有较大储备，相应的结构延性更好。

按自下向上减小剪力墙墙肢长度的方式优化后，各层层间剪力都有所减小。说明自下而上减小剪力墙墙肢长度导致结构自振周期增大，所以减小了结构所受的地震作用力，从而减小了地震作用对结构的不利影响，这也与理论相符合。

4 经济性分析

结构的经济性主要反映在结构材料用量上，在所有结构构件耗钢量中，剪力墙、梁、板以及桩基础占很大部分，特别是剪力墙的钢筋用量占到28%左右。本工程进行结构设计化，通过经济分析得到该工程混凝土用量为2500.7m3，钢筋用量293440m3。优化后比优化前节约混凝土121.10m3，单位面积混凝土减少0.014m3，节约钢筋8386.7kg，单位面积钢筋用量减少0.9kg，得到业主的肯定，并对类似工程具有指导意义。

5 结语

按建筑相关功能要求，对结构优化上还可以通过剪力墙根据建筑整体方案和洞口布置情况建立模型，同时考虑到剪力墙结构具有较大的整体抗侧刚度，对某些剪力墙设置构造洞口，同时将一字形截面改为T形或L形截面等。但结合本项目的实际情况，重点对剪力墙墙肢的长度进行优化，以实现项目在地震受力性等方面的优化。可以看出优化前后结构均符合国家相关规范要 求且优化后的结构性能大体上优于优化前结构，同时项目能够把模型调整到最优模型使各种材料充分发挥其性能即“物尽其用”，对抗震性能和经济效益都具有积极意义。