議高層剪力墻結構的經濟性

楊建忠

(大同市二院建筑設計研究有限責任公司，山西大同 037008)

議高層剪力墻結構的經濟性

楊建忠

(大同市二院建筑設計研究有限責任公司，山西大同 037008)

結合工作經驗，從結構方案設計，結構分析軟件、結構剛度、材料選擇、荷載計算五方面，闡述了高層剪力墻結構設計中的注意事項及技術要點，旨在實現結構設計安全適用、經濟合理、施工方便的目標。

結構設計，剪力墻，荷載，抗震能力

0 引言

我國進入20世紀90年代以來，經濟發展迅速，社會的各個方面均取得了讓世界矚目的成績，在經濟大發展的背景推動下，城市的發展速度也越來越快了，以前在大城市能看到的高層建筑，如今在二三線城市也變得越來越普及，由于土地價格的盤升，一些縣級城市也發展了不少高層建筑，其中以用作商品住宅的高層剪力墻結構居多。而這些商品住宅絕大多數都是由一些開發企業所開發，他們都在核算成本，追求利潤最大化，同時也給我們結構工程師提出了許多經濟指標。于是各地都出現限額設計包括限制混凝土用量、限制鋼筋含量，其中以鋼筋含量最為敏感。作為一名結構工程師應該與時俱進，不斷學習，深入研究，及時了解我們國家及一些國際上先進的做法來降低建筑的成本，而不能盲目地適應市場的需求，隨便減少鋼筋的用量，減少混凝土的用量，這種做法是在降低建筑的安全度，同時也會給我們帶來許多隱患，它的后果是不堪設想的。

作為結構工程師一定要做到概念明確、規范熟悉。在把握規范的情況下提出降低成本的措施才是我們結構工程師的唯一出路。首先應明確幾個概念:結構抗震概念設計的目標是結構整體能耗散地震能量，避免結構出現敏感的薄弱部位，多遇地震作用下進行結構計算、構件設計并加以構造措施。抗震結構應簡單、規則、對稱、均勻，結構在平面上沿兩個主軸方向具有足夠的剛度和抗震能力，結構的抗震能力則是結構承載力及延性的綜合反映，建筑結構是否具有耐震能力，主要取決于結構所能吸收和消耗的地震能量，作為一個結構工程師，首先應根據建筑功能要求、地理環境條件(場地與地域)及所構思的結構總體系，心中應有一個多道防線、剛柔結合的理想剛度目標，還應在第一道防線屈服后有足夠大的彈塑性變形能力和延性耗能能力來抵御罕遇大地震。

大家知道我們結構設計的目標是:安全適用、技術先進、經濟合理、方便施工。安全是放在第一位，沒有安全，經濟是無從談起的，不安全的結構它的成本是最大的，結構工程師是不能夠冒險的，是不能夠失敗的，當然科學家是允許失敗的，因為我們做的是人命關天的事，我們要對人民的生命負責，有一定的安全度才能用于實際，才能付諸實施。高層建筑結構設計要做到安全適用、技術先進、經濟合理、方便施工，互相之間的關系是相輔相成的，需要我們結構工程師根據每一個工程的實際情況綜合分析、比較。下面就我們這幾年設計圖審上經常遇到的問題談幾點看法。

1 重視結構方案設計

結構方案設計要在建筑方案設計時提前參與，不能在建筑方案確定后再談結構方案及結構的經濟性，這就給結構工程師造成了難度，因為前期方案可能已經帶來好多不經濟的因素，高層建筑應注重概念設計，要重視結構的選型和平面、立面布置的規則性，加強構選措施，擇優選用抗震抗風性能好且結構經濟合理的結構體系，概念設計及結構整體性能是決定高層建筑結構抗震、抗風性能的重要因素，結構平面或豎向不規則，一來在現有設計水平和技術上難以保證結構的抗震抗風性能，二來勢必要采取措施保證結構的性能，這些措施是需要成本和代價的。一個優秀的結構工程師要有抗震的概念和素質，大家知道從抗震角度來講我們要求結構簡單、規則、對稱，這樣的結構扭轉相對較少，結構受力明確，傳力路線簡單直接，相對結構構件受力較小，配筋相對較小，經濟指標明顯好轉。這樣的結構安全和經濟都是有保障的。

要善于優化平面布局，大家知道建筑平面的規則性和結構平面規則性是不同的，一個優秀的結構師能夠運用結構手段把不規則的建筑平面優化成規則的結構平面，這些手段在我們高層剪力墻中就是合理布置非承重墻和輕質板條墻，把不規則部分化為規則。

2 正確使用結構分析軟件

現代科學技術迅猛發展，逐漸應用到生產和生活中，計算機的技術已經相當普遍，一些老工程師對計算機的不信任也慢慢地消失了，事實上只有借用計算機這樣的先進手段才能算得清算得準，才能更合理配置結構構件，才能更有效地降低建筑成本。目前，采用計算機軟件進行高層建筑結構分析和設計是相當普遍的，但一些年輕的工程師往往是計算機或結構軟件的附庸，人成了計算機的工具，應用軟件的默認的設置不加分析不加修改，便開始計算出結果了，這樣的工程師是不能設計出更經濟更安全的建筑來的，要合理使用軟件，正確利用軟件我們必須了解軟件的應用規則，深入了解軟件能做到的和不能做到的，有些人軟件算出來的不敢動，主要原因是不了解軟件的主要功能，有些功能軟件是有缺陷的，是需要我們結構工程師來分析判斷的，結構工程師應以力學概念和豐富的的工程經驗為基礎，從結構整體和局部兩個方面對計算結果的合理性進行判斷，確認其可靠性后，方可用于工程設計。總之一句話:軟件是為人服務的，但人也要了解軟件的功能和適用性。

3 高層剪力墻要有合理的結構剛度

在剪力墻結構中，剪力墻是承受豎向荷載、水平荷載和風荷載的主要受力構件，所以剪力墻要有一定的數量，要有一定的剛度來滿足現行高層建筑混凝土結構技術規程中在風荷載或多遇地震作用下樓層層間位移角的限值(1/1 000)，但是剪力墻布置的太多，會給結構帶來更大的地震力，反而更不經濟，這個原理我們從現行抗震規范中地震影響系數的計算公式中可以看出，剪力墻太多則結構剛度就增大，結構自振周期就變小，地震力就變大。這就是說數量既要保證位移角的要求又不能太大導致地震力變大。我們在實際中所做的也就是減少墻的數量，而原建筑中的墻體改用剛度較小輕質板條墻代替，樓板采用大板結構，墻體的布置要盡量使用長墻，減少短肢墻的數量，因為短肢墻的延性不好，要改善它的延性必然要增加配筋率，增加建筑成本。而且短肢墻墻體裂縫較多，這種裂縫后期處理起來較麻煩，我們在實際的設計過程中也出現一種現象就是剪力墻結構中連梁很少甚至沒有，這種結構雖然從結構計算上看，剪力墻剛度不大，地震力不大，結構的經濟性也很可觀，但是我們忽略了一個事實，我們現行抗震規范提倡的結構要有多道防線，用以提高結構的安全度。在剪力墻結構中多道防線是通過連梁來實現的，在剪力墻結構中連梁作為第一道防線，在大地震中是允許破壞的，連梁的破壞吸收了地震力，消耗了能量，剪力墻作為第二道防線繼續承受水平地震力。而這種結構光有弱連梁沒有強連梁，也就是說它沒有耗能構件，沒有形成多道防線的結構，降低了結構的贅余度，它的延性是相當差的。也就是說與我們現行規范的設計原則是不相同的，是不值得提倡的。但也不要全為強連梁，因為在大地震下，連梁梁端開裂、出鉸乃至退出工作，結構可能因剛度退化太多而抗側力不足導致破壞、倒塌。一個合理的結構是既有強連梁又有弱連梁，結構的抗側力剛度適當，承載能力適當，耗能能力適當。在地震作用下，首先是剪力墻之間線剛度相對較小的弱連梁進入耗能狀態，大震下，弱連梁逐漸退出工作，僅作為連桿傳遞水平力，而線剛度較大的強連梁繼續耗能，實現“強弱適當，多道防線”，從而使得結構具有較高的延性性能。

連梁在剪力墻結構中扮演重要角色，連梁是剪力墻剛度的調節器，我們明確連梁在地震中是破壞的，所以在計算中要折減連梁的剛度，但是不能折減的太多，以致在小震或風荷載在平時荷載作用下破壞，這一點也是需要明確的。

4 合理選用材料

在剪力墻結構中，材料用得最多的是混凝土和鋼筋，混凝土強度不要太低，低強度等級的混凝土是不經濟的，但也不要使用太高強度的混凝土，因為高強度混凝土具有脆性性質，且隨強度等級的增高而增加，同時高強度混凝土因側向變形系數過小而使箍筋對它的約束效果受到一定的削弱，所以規范對不同設防烈度，不同結構構件的混凝土強度等級作了上限限值。混凝土強度根據建筑的層數選用C30～C50之間的值。這是墻柱承重構件的混凝土強度，而樓板的混凝土強度等級不要選的太高，因為混凝土強度等級高，水泥用量則大，混凝土硬化過程中水化熱大，收縮大，易產生收縮裂縫。

鋼筋的經濟適用，不是說鋼筋的實際價格是多少而是強度價格比也就是說每元錢所購買單位鋼筋的強度，強度價格比高則其鋼筋的經濟性能好，構件的配筋率低，鋼筋用量自然就降下來了，方便施工，施工成本降低，現在我們的市場人工費很高，用量少了，鋼筋的運輸、加工費用就相應降低。盡量選用HRB400級以上的鋼筋，不選用HRB335級鋼，少選用HPB300級鋼筋。

5 準確合理計算荷載

要想設計經濟合理的建筑，結構荷載必須輸入正確、準確，不無理由的放大鋼筋用量，做到心里有數，對我們了解或熟知的部位可以不留任何余量，而對我們不了解的或者說未來運營不是很清楚的地方適當留有余量。

綜上所述，要想設計一座經濟合理的建筑，必須概念清楚，要有良好抗震素質，在我們的心里要有一個理想的剛度目標，善于運用先進計算軟件，選用合理的計算模型來實現，要善于優化布局，選用性價比高的材料。結構工程師必須與時俱進，努力鉆研，善于運用新的工藝新的措施來處理結構設計中面臨的問題，也就是說創新是結構工程師的唯一出路。

［1］GB 50011—2010，建筑抗震設計規范［S］.

［2］呂西林.高層建筑結構［M］.武漢:武漢理工大學出版社，2008.

［3］張維斌.多層及高層鋼筋混凝土結構設計釋疑及工程實例［M］.第2版.北京:中國建筑工業出版社，2005.

［4］JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結構技術規程［S］.

［5］朱炳寅.建筑結構設計問答及分析［M］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

On money-savingness of high-rise shearing wall structure

Yang Jianzhong
(No.2 Architectural Design and Research Institute Co.，Ltd in Datong，Datong 037008，China)

Combining with the work experience，the paper illustrates the precautions and technical points in the structural design for the high-rise shearing walls from the design of the structural scheme，structural analysis software，structural stiffness，materials selection，and loading calculation，so as to realize the structural design can be safe，applicable，economical and reasonable with the convenient construction.

structural design，shearing wall，loading，seismic capacity

TU973

:A

1009-6825(2016)36-0042-02

2016-10-17

楊建忠(1964-)，男，高級工程師，國家一級注冊結構工程師