剪力墻布置位置的設計優化

宋 瑛

(太原市建筑設計研究院，山西太原 030002)

1 剪力墻的主要特點

由剪力墻組成的承受豎向和水平作用的結構稱為剪力墻結構(Shearwall Structure)。

剪力墻結構中的墻體既承受豎向荷載，又承受水平荷載，其中承受平行于墻面的水平荷載是墻體的主要作用。剪力墻平面內的剛度很大，而在平面外的剛度很小，對于剪力墻的側向穩定，各層樓蓋對它的支撐起著很重要的作用。在水平荷載作用下，墻體的工作狀態如同一根底部嵌固于基礎頂面的直立懸臂深梁，墻體的長度相當于深梁的截面高度，墻體的厚度相當于深梁的截面寬度，墻體屬于壓、彎、剪復合受力狀態。在抗震設防區，水平地震作用也是主要的水平荷載，因此剪力墻有時也稱為抗震墻。

根據墻體的開洞大小和截面應力的分布特點，剪力墻可劃分為正截面剪力墻、整體小開口剪力墻、聯肢剪力墻和壁式框架等類型。不同類型的剪力墻具有不同的受力狀態和特點。

剪力墻結構的主要優點有施工速度快、室內布置方便、抗震性能好，用于住宅時，室內沒有外凸的柱角，方便家具的布置和分隔，有利于分戶、防火、防盜、隔聲。剪力墻結構的主要缺點是由于墻體間距的限制，空間靈活性差，和框架、框架—剪力墻等其他結構形式相比，經濟性并無優勢，墻體(除隔墻外)、樓板都是鋼筋混凝土現澆而成，材料消耗量很大，整個建筑結構自重較大。

2 剪力墻結構的成本分析

隨著城市化進程的加快和經濟建設的快速發展，我國高層建筑的高度也在不斷增高，每一個新的高度就有一個新的建設投入，這為高層建筑建設成本的確定帶來難度。

在7度抗震區(0.20g)，結構高度不超過100 m的高層建筑中，剪力墻結構的用鋼量一般在45 kg/m2～90 kg/m2左右。剪力墻墻體及端柱用鋼量所占比例較高，即豎向構件所占的比例一般超過60%。超高層建筑是我國近年來發展起來的新型建筑形式，超高層鋼板剪力墻結構在我國也已出現(天津津塔高336.9 m)。超高層建筑通常采用全剪力墻結構、筒體結構、鋼結構或鋼結構與前兩種結構形式的混合結構。一個45層、建筑高度在130 m左右的超高層住宅建筑，鋼筋總用量為90 kg/m2～105 kg/m2，混凝土總含量約為0.75 m3/m2～0.90 m3/m2。考慮模板技術、混凝土泵送技術、垂直運輸設備和各項降效等因素，其結構部分的造價約為1 400元/m2～1 500元/m2，其中地下部分約占40%，地上部分約占60%。對比高層住宅，其鋼筋含量高出約20 kg/m2～35 kg/m2，混凝土含量高出約 0.15 m3/m2～0.3 m3/m2，結構工程造價約高出550元/m2～650元/m2。

剪力墻材料用量是整個結構材料用量的核心，在滿足安全適用的前提下，如何使剪力墻的材料用量更經濟是結構設計師研究探討的重要課題。剪力墻結構的設計優化也是首先從減少剪力墻結構材料的角度考慮的。影響剪力墻材料用量的幾何因素主要是墻肢的長度和厚度，在設計中為了保證結構為一般剪力墻結構，剪力墻的長度須按規范要求進行設置，一般不宜減短。同時，結構的剛度與剪力墻長度的三次方成正比，與厚度的一次方成正比，因此減小剪力墻截面厚度既可以有效減少材料用量，又不至于嚴重削弱結構的剛度。一般來說，剪力墻的設計應在滿足穩定性的前提下，盡量減薄，也就是在滿足剛度等要求的前提下，達到減少剪力墻材料用量、節約造價的目的。

3 剪力墻布置位置的優化

剪力墻的布置方式很大程度上決定了剪力墻的剛度及剛度的分布，確定剪力墻的布置原則是剪力墻結構設計和結構設計優化的第一步。現通過如圖1所示的簡單模型來說明剪力墻的布置方式決定了剪力墻結構的剛度，從而得到調整與控制剪力墻結構體系剛度的思路和方法，得到剪力墻布置的原則。

如圖1a)所示，墻體在x方向沒有剛度，圖1b)中抵抗中心與力作用中心不重合，抗扭剛度很差，所以圖1a)，圖1b)的剪力墻不利于對水平力的抵抗，圖1d)中，剪力墻形成筒體，這種布置方式能很好地抵抗任何方向的水平作用力，圖1c)，圖1f)中剪力墻的布置都有利于抵抗任何方向的水平作用力和扭轉，圖1g)中相互垂直的剪力墻可以抵抗剪力，但抗扭能力差。所以在下面例圖中，圖1c)，圖1e)，圖1f)是相對較好的布置形式。

圖1 剪力墻優化布置示意圖

通過對以上簡單模型的分析，可以得出剪力墻結構中剪力墻的布置原則為“周邊、對稱、成對、封閉”，按照此原則去布置剪力墻可以得到較大的平面剛度和抗扭剛度。把這種思路用于結構工程設計中，可優化剪力墻布置的位置。

4 剪力墻布置位置的設計優化

根據統計，在7度抗震區，高層剪力墻結構的住宅標準層中，單位面積含鋼量中，剪力墻墻身用鋼量約為45%～65%，剪力墻邊緣構件(即暗柱)用鋼量約占30%～50%，因此，從用鋼量可以看出，剪力墻的鋼筋用量占總用鋼量的份額較大，其中又以暗柱鋼筋量最大，因此在設計中，設計人員應特別注意剪力墻的布置，減少不必要的暗柱設計。

剪力墻布置的是否合理直接關系到整個結構的經濟指標，在設計中為做好剪力墻的布置時，應采取如下思路和措施:1)剪力墻布置的一般位置。平面形狀凹凸較大處，是結構的薄弱部位，宜在凸出部分的端部附近布置剪力墻。剪力墻不應設置在墻面開大洞的部位，當墻有洞口時，洞口宜上下對齊。剪力墻應雙向布置，形成空間結構，特別是在抗震設計中，不應只在單向布置剪力墻，應使兩個方向剛度盡量接近。剪力墻的抗側剛度和承載力均較大，為充分利用剪力墻的能力，減輕結構自重，增大剪力墻結構的可利用空間，剪力墻不宜布置太密，應使結構具有較為適宜的側向剛度。為避免施工困難，不宜在變形縫兩側同時設置剪力墻。2)強周邊，弱中部。也就是剪力墻宜布置在建筑物的周邊附近，以使它充分發揮抗扭作用，必要時可利用房間窗臺設置高連梁以加強剛度。在樓(電)梯間，平面形狀變化及靜載較大的部分應設置剪力墻。樓、電梯間等豎井的設置，宜盡量與其附近的框架或剪力墻的布置相結合，使之形成連續、完整的抗側力結構。3)剪力墻的布置宜多均勻長墻(長度不大于8 m)，少短墻。要注意選擇在對結構承受水平及豎向荷載有利的隔墻位置設置剪力墻，盡量拉大剪力墻間距，避免在較小的間距內布置多道剪力墻。通過加長墻肢的長度，減少墻肢的數量，使結構的側向剛度增加，邊緣構件數量減少，并且由于墻間距的拉大，增加了建筑平面布置的靈活性。設計中應體現使其結構豎向和水平向具有合理的剛度及承受荷載的分布，盡可能將剪力墻的墻肢截面高度稍大于8倍墻厚，符合一般剪力墻的要求。剪力墻也不必按開間布置，兩間合并布置為大開間剪力墻也是不錯的選擇。4)多L形、T形、十字形墻肢，少復雜形狀。剪力墻盡可能設計成“L”形、“T”形，有利于剪力墻結構的穩定性，同時能形成較好的側向剛度。在同樣滿足規范各項指標的情況下，更能減輕結構自重，減少結構構件，有利于降低工程投資。根據工程經驗，對于“L”形、“T”形剪力墻，當一個方向的墻符合一般剪力墻要求時，另一個方向的墻肢不宜過短，較小的墻肢常常會出現較大的配筋，一般宜控制在1 m左右，使墻端暗柱配筋接近構造配筋為宜。5)墻肢應沿高度均勻變化。剪力墻厚度應沿結構高度均勻變化，不宜采取在上部為控制成本而減少剪力墻設計數量的設計方法，此做法會使層剛度變化加大，不利于抗震，同時也不一定經濟。宜在結構底部合理設置較厚的剪力墻，厚度隨結構高度增加而均勻變化，此做法也滿足底部樓層層高較大的要求，避免為保證墻體穩定性而人為增加墻厚的情況。6)各墻肢軸壓比宜接近。各墻肢的軸壓比宜基本接近并盡量靠近相應結構抗震等級軸壓比限值。剪力墻受剪承載力較大，絕大多數情況下抗剪不起控制作用，實際工程設計中剪力墻截面可由軸壓比控制，以保證剪力墻的延性。同時各片墻體的軸壓比宜盡量均勻，這樣可保證各層各片絕大多數剪力墻都均勻受力，處于抗震構造配筋狀態。

總之，隨著城市化發展以及建筑用地的緊張，高層建筑將日益增多。剪力墻結構具有整體性好，側向剛度大，抗側力性能好的特點，而且沒有梁、柱外凸，便于房間內部布置。剪力墻結構形式在高層建筑，尤其是住宅中的使用越來越多，對高層建筑設計要力求合理性與經濟性，剪力墻結構設計中有很多需要注意的問題，只有熟練地掌握規范，才能設計出安全又經濟適用的優秀作品。

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