高層剪力墻結構優化設計與經濟分析

應君

摘要：本文以高層剪力墻結構優化設計與經濟分析為課題，分析研究了高層剪力墻結構優化設計，探討了高層建筑剪力墻結構設計中應注意的問題以及高層剪力墻的結構經濟，并根據案例來詳細說明了，立足規范，精心計算，巧妙構造，優化設計才能達到有效地節約能源，降低造價的目的。希望為類似的工程設計提供參考。

關鍵詞：高層建筑；剪力墻結構；優化設計；經濟分析

引言

高層剪力墻結構優化設計與經濟分析是我國建筑行業主要施工的環節之一，是工業使用的施工材料，其中高層剪力墻結構的構造可以做施工使用的材料。通過選擇高層剪力墻結構優化設計與經濟分析加強高層剪力墻結構優化設計與經濟分析管理和預控預算等調查研究做出了分析，只有“科學建筑、安全施工、降能降耗、低能高效”，才能使我國高層剪力墻結構優化設計與經濟分析得到可持續發展。通過選擇墻體材料、把好我國高層剪力墻結構優化設計與經濟分析環節、加強施工管理和預控預算等調查研究。

一、高層剪力墻結構優化設計

1、剪力墻結構方案的選擇

在剪力墻的優化設計中，方案的選擇和優化起著非常重要的作用，因此一定要對方案的優化給予重視，不能有絲毫疏忽。在方案的選擇階段首先要考慮合理性，建筑的結構布置和建筑的功能要相契合，一定的結構要為一定的功能服務，要有針對性，不要南轅北轍。其次要考慮建筑結構的經濟性，控制總體成本，結合建筑層數制定合理的方案。對于不同層數的建筑采用各自合適的剪力墻結構，提供合理科學的預算，這樣才能夠控制成本，保證資金使用最優化，保證建筑結構的經濟性。剪力墻結構方案的選擇能夠保證科學性、合理性和經濟性，這個方案就是比較適宜的方案，接下來就可以根據方案進行下一步的施工了。

2、剪力墻的結構布置

剪力墻結構在概念階段的優化，要從總體上合理布置剪力墻的位置，確定剪力墻的數量、長度、厚度，以“周邊、對稱、成對、封閉”的原則去布置剪力墻，可以得到較大的平面剛度和抗扭剛度。具體實施時，應采用以下措施：強周邊、弱中部；多均勻長墻，少短墻；多L形，T形、十字形墻肢，少復雜形狀；沿高度均勻變化；各墻肢軸壓比接近并盡量靠近相應結構抗震等級軸壓比限值。在確定剪力墻數量、長度、厚度時，應在設計時控制其基本自振周期，一般為0.05～0.08n（n為結構總層數）較為適宜，同時，設計時盡可能接近規范要求的層間位移角限值，如計算結果相差太多，說明剪力墻結構剛度較大，剪力墻布置數量太多，應適當減少墻體數量。結構的剛度與剪力墻長的三次方成正比，與厚度的一次方成正比，因此減小剪力墻截面厚度即可以有效減少材料用量，又不至于嚴重削弱結構的剛度。一般來講，剪力墻的設計應在滿足剛度及穩定性的前提下，盡量減薄，達到減少剪力墻材料用量節約造價的目的。

二、高層建筑剪力墻結構設計中應注意的問題

1、有效控制抗側剛度

剪力墻結構的抗側剛度不宜過大，若抗側剛度過大，則剪力墻結構的周期會相應的變小且建筑受地震影響也較大

2、科學布置剪力墻的構造配筋

由于剪力墻結構的墻體大多數都是構造配筋，為避免結構延性差，剪力墻結構墻體的構造配筋不宜太低。

3、合理控制剪力墻的數量

要合理控制同一建筑中的剪力墻數目，不宜過多也不宜過少，要做到數量適中，假如剪力墻過多，會增加建筑物本身的重量容易造成地基塌陷，影響建筑物安全，而且也會造成金錢、時間的浪費。

四、案例

1、工程概況

某高層建筑，層高30層，地下2層地上28層，地下兩層為儲藏室，地上為普通住宅。建筑抗震設防類別為標準設防類，剪力墻的抗震等級為二級，地下二層為甲類防空地下室，級別均為6級二等人員掩蔽?，F澆混凝土樓板、梁、抗震墻的混凝土強度等級均為C30；基礎、地下室外墻及人防頂板采用C30密實防水砼。基礎、梁、板、抗震墻均采用HRB400級鋼筋。

2、優化設計

根據經驗及以前做的QC成果，在此類工程中，墻（含暗柱）配筋量所占比例最大，約占全部用鋼量的46%，這其中暗柱的用鋼量又占墻用鋼量的一半以上，而梁和現澆板的含鋼量基本穩定在一個合理的水平上，所以采取措施降低墻的數量和配筋可以有效的節約鋼筋，這其中很重要的一點是通過與建筑專業的密切配合，通過認真的方案比較，合理地布置墻和暗柱。我們通過與建筑專業協調，將結構方案進行優化，把各項指標控制在規范允許的合理范圍內。

2.1地下部分

1）筏板的優化。筏板的厚度由沖切計算控制，在滿足沖切計算的前提下，我們比較了不同板厚時的配筋情況：其一，板厚=900毫米時，板配筋多為計算配筋，除通長鋼筋外，還需附加第二排鋼筋；其二，板厚=1000毫米時，板配筋多為構造配筋，個別較大跨度支座處需附加第二排鋼筋；其三，板厚=1100毫米時，板配筋均為構造配筋，通長筋配筋量較大。通過比較，我們選取板厚=1000毫米，最為經濟合理。 同時，為了減少大體積砼的水化熱，我們優先選擇強度等級較低的砼，為了減少裂縫的出現，優先選擇小直徑密間距的配筋方式。經過優化，筏板配筋由D20@150，優化為D18@150（D表示HRB400鋼筋）。

2）考慮人防頂板上50厚細石混凝土墊層的防護作用，將人防頂板厚度取為規范規定的最小值200毫米厚，減少了樓板構造配筋。

3）通過計算，除人防墻以外的剪力墻絕大多數均為構造配筋，對于這部分墻，在滿足規范要求的前提下，適當減少墻的構造配筋率，可有效降低工程造價。

4）暗柱大部分是構造配筋，箍筋、拉筋和縱向鋼筋按照規范的最小配筋及最小直徑配置。

5）梁的優化。首先是對于跨度較小的純簡支梁，上部鋼筋采用2D10；其次是對于連續梁配筋，為了減少搭接，上部采用2根小直徑的通長鋼筋，受力較大的支座根據計算配第二排支座附加鋼筋。

2.2地上部分

1）梁的優化：首先對于跨度較小的純簡支梁，上部鋼筋采用2D10；然后是對于連續梁配筋，為了減少搭接，上部采用2根小直徑的通長鋼筋，受力較大的支座根據計算配第二排支座附加鋼筋。

2）通過計算，地上部分剪力墻配筋絕大多數為構造配筋，對于這部分墻，在滿足規范要求的前提下，適當減少墻的構造配筋率，可有效降低工程造價。

3）暗柱大部分是構造配筋，箍筋、拉筋和縱向鋼筋按照規范的最小配筋及最小直徑配置。

3、結論

通過優化設計，我們將結構主體含鋼量由50.6千克/平方米降低至48.1千克/平方米，每平米節約鋼材約2.5千克。

該住宅小區總建筑面積約40.5萬平方米，共節約鋼材約1012.5噸，節約投資約400萬元。 按照每噸鋼材煉制過程中碳排放量為2.5噸計算，所節約鋼材可減少碳排放量2531噸，為環境保護出了一分力。

注：1）D表示HRB400鋼筋，φ8表示HPB235鋼筋直徑為8毫米，φ12表示HRB335鋼筋直徑為12毫米。

2）短肢方向指墻肢長度小于等于8倍墻厚長度的方向，長肢方向指墻肢長度大于8倍墻厚長度的方向。

結束語

總而言之，剪力墻結構的優化設計，應根據剪力墻結構的特點，采用合理的布置形式，調整和控制剪力墻結構體系剛度，改善剪力墻的抗震性能。同時在具體的配筋方面，合理的運用規范要求和計算結果，對特殊位置出現的鋼筋超配問題進行有針對性的處理，在保證整個結構安全可靠的條件下，節省不必要的投資，取得良好的經濟效益。

參考文獻：

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[2]呂瑞孝，姜劍虹.高層建筑剪力墻結構設計需關注的要點[J].科技信息.2011（19）：80-98.