高层建筑剪力墙结构设计方案对比分析

摘要：剪力墙结构作为高层建筑中广泛应用的结构形式，其设计方案的优劣直接关系到建筑的安全性、经济性和适用性。以实际项目为例，设置2种剪力墙布置方案，并计算2种方案下建筑的结构参数和工程成本，对比其合理性和经济性，研究结果表明：2种剪力墙布置方案下建筑结构的各项参数均满足规范要求，具有足够的稳定性；方案二周期比、位移比和剪重比均小于方案一，最大层间位移角大于方案一，即方案二结构体系具有更高的稳定性、抗变形能力、抗震能力；对于高层建筑，风荷载对结构稳定性的影响高于地震荷载；与方案一相比，方案二的混凝土与钢筋成本分别减少9.69万元和7.41万元，表明方案二更加经济。

关键词：剪力墙结构；高层建筑；周期比；稳定性；位移比

0" "引言

作为一种由钢筋混凝土墙体形成的抗侧力体系，剪力墙结构通过墙体的整体作用来抵抗水平荷载，如地震和风荷载，从而确保高层建筑在极端条件下的稳定性和安全性[1-2]。其设计理念基于结构力学的原理，通过合理的墙体布置和配筋设计，实现了结构的高效性和经济性[3]。

剪力墙结构因具有较高的承载能力、抗震性以及经济性在高层建筑中得到广泛应用。然而随着高层建筑高度的不断增加和功能的多样化，人们对剪力墙结构的设计也提出了更高的要求。不同的设计方案在受力性能、经济性和施工难度等方面存在显著的差异[4]。因此对高层建筑剪力墙结构设计方案进行对比分析，探讨其优缺点，对于优化结构设计、提高建筑质量和降低建设成本具有重要意义。本文以某住宅项目为例，根据剪力墙布置原则，对原剪力墙布置方案进行优化，为类似工程提供指导和借鉴。

1" "工程概况

某住宅项目地上24层，地下2层，总建筑面积9656m2。地下1层和2层层高分别为4.5m和3.8m，建筑总高度69.90m，地上标准层层高2.9m。建筑结构类型为剪力墙结构，基础结构类型为筏板基础。建筑主体结构抗震设防烈度为7度，剪力墙抗震等级为三级，设计使用年限为50年。场地类别为三类，粗糙程度分别为B类，地震加速度为0.15g，地震分组为第一组。基本雪压和风压均为0.45kN/m2，混凝土强度等级为C30。

2" "剪力墙结构优化原则

剪力墙是一种常用的结构形式，具有较好的抗震性能和承载能力。在建筑结构设计中，合理地优化剪力墙结构可以提高建筑物的整体稳定性和安全性。

2.1" "均匀分布原则

剪力墙应沿建筑物的主要轴线双向均匀布置，避免仅单向布置，以确保两个方向的抗侧向刚度接近。同时在平面上，剪力墙应形成多道联肢剪力墙协同工作，尽量避免剪力墙错位布置[5]。

2.2" "对称布置原则

剪力墙应尽量对称布置，以减少结构的偏心和扭转。对称布置可以提高结构的稳定性和抗震性能。对于矩形平面，可以在对角线两侧对称布置剪力墙。对于圆形或椭圆形平面，可以在径向对称布置。同时应尽量使剪力墙的重心与建筑物的几何中心重合，以减小扭转效应。

2.3" "开洞规范性原则

剪力墙中的开洞应尽量避开墙体的中部，避免削弱墙体的整体刚度。例如，可以在墙体的上部或下部开设门窗洞口，而不是在中部开设。开洞的尺寸不宜过大，且应尽量保持规则形状，以减少对墙体刚度的影响。此外门窗洞口的尺寸也应控制在合理范围内[6]。

2.4" "受力分散性原则

布置剪力墙时，应尽可能将地震力分散至多片刚度较为接近的剪力墙上，以避免单片墙过长或刚度过大导致地震力集中，从而达到降低单片墙破坏风险的目的。在设计过程中，可以通过合理布置剪力墙的数量和位置，使得每片墙的受力更加均匀，提高整个结构的抗震性能[7]。

2.5" "门窗洞口对齐原则

对于门窗洞口的布置，为提高结构的整体稳定性和受力合理性，一般建议门窗洞口采用成列布置的方式，并确保其上下对齐。此方式有助于形成明确的墙肢和连梁，使结构受力路径更加清晰，从而有利于简化计算过程、提高设计效率。需特别注意，在进行抗震设计时，剪力墙底部加强部位不宜设置错洞墙。因为错洞剪力墙的应力分布相对复杂，不仅给计算工作带来了较大挑战，同时也增加了构造施工难度。

2.6" "经济合理性与施工可行性原则

在满足结构安全的前提下，合理控制剪力墙的数量和厚度，有助于避免不必要的浪费。可通过优化剪力墙的布置和截面尺寸，减少材料用量，降低工程造价。同时应考虑施工的可行性和便捷性，选择易于施工的布置方案。

3" "剪力墙布置方案

结合上述原则和项目特点，在尽量不调整墙厚的前提下对部分墙体尺寸进行优化，使墙体受到的地震力更加均匀。如图1所示为项目原始剪力墙布置方案（方案一）。如图2所示为优化后的剪力墙布置方案（方案二）。

4" "剪力墙优化效果分析

通过PKPM计算软件对优化前后剪力墙结构在风、恒、活、地震等荷载下的内力和相关参数进行计算，分析剪力墙结构方案的合理性。计算时参考项目信息、当地荷载规范、地质条件等输入模型参数，计算后主要对比两种剪力墙布置方案下建筑结构的周期比、层间位移角和位移比、剪重比以及经济性。

4.1" "周期比

周期比是指结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比。在高层建筑中，这一比值用于评估结构的扭转效应是否处于合理范围内。两种剪力墙结构布置方案各振型的周期值如图3所示。

从图3中能够发现，方案一与方案二的第一自振周期比分别为0.750、0.755，均满足规范中周期比不超过0.9的要求，表明两种剪力墙布置方案均展现出良好的合理性，符合结构设计的基本原则。同时相比方案一，方案二的布置在减少结构扭转、提高整体稳定性方面展现出明显优势，能够通过刚度优化来提升结构性能。

4.2" "层间位移角和位移比

层间位移角和位移比是结构工程中用于评估高层建筑结构刚度和稳定性的两个重要参数，用于确保结构的使用要求、稳定性和刚度达到要求。

4.2.1" "位移比分析

位移比体现了结构的扭转效应，主要通过位移比对结构平面的规则性进行控制，防止结构产生较大扭转影响结构安全。方案一和方案二的位移比如表1所示。

从表1中能够发现，高层建筑剪力墙布置方案一和方案二在Y方向、X方向上的位移比均满足规范中位移比不超过1.5和不超过1.2的要求。对比两种不同剪力墙布置方案时，发现方案二在Y方向和X方向的位移比均小于方案一，表明采用方案二的建筑结构在受到外力作用时，其各个部位的变形更为均匀和协调，不会出现局部变形过大或过小的情况。这种协调的变形模式不仅有助于提升结构的整体稳定性，还能在地震等自然灾害发生时，更有效地分散和吸收地震能量，从而减少结构受到的损伤。

4.2.2" "层间位移角对比

层间位移角作为一个宏观控制指标，是指相邻两楼层之间的相对水平位移与楼层高度的比值，反映了结构在受到侧向力作用时，各层之间的变形程度。不同类型建筑和不同使用功能对应的层间位移角限值可能有所不同。

方案一和方案二的层间位移角对比如表2所示。从表2中能够发现，方案一和方案二的最大层间位移角均满足规范中层间位移角低于1/1000的要求。相较于方案一，方案二的最大层间位移角更加接近规定限值，表明方案二可以将建筑材料性能更加有效地发挥出来，使结构在抗震方面表现出优越的性能。

此外，在对比风荷载作用和地震作用下的层间位移角时，发现后者普遍小于前者。这一现象说明在高层建筑设计时，风荷载的影响更大，必须充分考虑风荷载的影响，以确保结构的安全性和稳定性。

4.3" "剪重比

剪重比反映了结构在受到重力荷载和水平剪切力作用时的相对刚度。如果剪重比设计不当，可能导致结构在受到外力作用时发生破坏或倒塌。两种剪力墙结构布置方案剪重比对比如图4所示。

从图4中能够得出，随着楼层的增高，剪重比呈现逐渐增大的趋势，最小剪重比位于最下层，且满足规范中该地区高层建筑剪重比大于1.6%的要求，表明两种方案的结构安全性符合要求。对方案一进行优化后，在同一楼层下，地震剪力有一定程度的降低。这一变化是因为通过优化减小剪力墙尺寸，有效降低了结构的整体刚度，提升了结构的灵活性。

4.4" "经济性

在工程项目的成本构成中，混凝土与钢筋的用量占据材料费用的大部分，是成本控制的关键环节。借助专业软件，对两种方案建筑工程量进行初步统计，具体结果如表3所示。

从表3中能够看出，与方案一相比，方案二的混凝土与钢筋用量均有明显减少。如果按照当前市场4500元/t的HRB400钢筋单价和350元/m3的泵送C30混凝土单价进行计算，可知在钢筋和混凝土方面，方案二分别减少9.69万元和7.41万元，体现结构优化在成本控制中的显著效果。

5" "结束语

本文以某住宅项目为例，根据剪力墙布置原则，对原剪力墙布置方案进行优化，并计算两种方案下建筑的稳定性和经济性，主要得出以下结论：

两种剪力墙布置方案下建筑结构的周期比、层间位移角和位移比、剪重比均满足规范要求，且方案二周期比、位移比和剪重比均小于方案一，最大层间位移角大于方案一，表明其在减少结构扭转、提高整体稳定性、协调结构变形、分散和吸收地震能量方面展现出了明显优势。对比风荷载作用和地震作用下的层间位移角时，发现后者普遍小于前者，表明本项目受风荷载的影响更大。与方案一相比，方案二的混凝土与钢筋成本分别减少9.69万元和7.41万元，表明方案二更加经济。

参考文献

[1]" 陈永汉，乐小贺.基于新型混凝土内撑条的剪力墙支模施工技术研究[J].建筑技术开发，2024，51（11）：67-69.

[2]" 闫贵海，龚超，刘兆祥，等.错边对钢板组合剪力墙受力性能的影响[J].四川水泥，2024（11）：59-61.

[3]" 姚奇，段学蕾.高层住宅剪力墙大开间结构设计分析[J].居舍，2024（32）：89-92.

[4]" 王仪，郭城成，王昱皓，等.装配式剪力墙异形节点连接件力学性能研究[J].河南城建学院学报，2024，33（5）：1-8+57.

[5]" 魏鉴栋，张广博，那森呼，等.某连体超限结构抗震性能化设计分析[J].江苏建筑，2024（5）：35-39.

[6]" 潘文成.装配式钢结构建筑中钢框架+防屈曲钢板剪力墙结构体系应用[J].建设科技，2024（19）：63-66.

[7]""""" 韩艳.短肢剪力墙在民用建筑结构设计中运用分析[J].建设科技，2024（18）：71-73.