高層住宅剪力墻結構優化設計

趙體棟 申紀偉

(重慶三峽學院，重慶 404000)

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高層住宅剪力墻結構優化設計

趙體棟 申紀偉

(重慶三峽學院，重慶 404000)

基于剪力墻結構布置應遵循的原則，探討了某高層住宅剪力墻結構的優化設計方案，并分析了控制建筑結構成本的方法，旨在使建筑結構設計達到安全、經濟、適用的目標。

剪力墻，結構布置，經濟性，結構計算

0 引言

在高層住宅的各類結構體系中，剪力墻結構由于經濟指標最好，而成為高層住宅中最主要的結構形式。鑒于該結構形式量大面廣，而開發商更加注重成本的控制，因此，怎樣用最少的資源設計出既符合建筑使用要求又能保證安全的結構成為每位結構設計人員必須考慮的問題。

剪力墻結構的經濟性由梁、板、剪力墻的布置決定。樓屋蓋主要承受豎向荷載，同時肩負著傳遞水平荷載的作用。如果剪力墻的間距過大，勢必增大樓屋蓋的負擔，影響水平力向剪力墻的傳遞。因此，剪力墻的間距受到了限制，相應也限制了梁的靈活布置。所以，剪力墻結構的經濟性主要取決于剪力墻的合理布置。

1 剪力墻結構布置

剪力墻結構的布置應遵循的原則：剛度適中，平面布置宜簡單、規則，豎向剛度變化均勻，剪力墻的門窗洞口宜上下對齊，剪力墻的長度適中。詳細的措施如下：

1)結構布置盡可能的對稱。結構的對稱與否與建筑的平面布置息息相關，對稱的建筑很容易實現結構的對稱布置，而不對稱的建筑平面布置，如平面形式為曲線形、折線形、T形、L形等高層住宅建筑，則應力求實現內部結構的基本對稱，這主要取決于結構設計人員結合建筑的平面布置和使用要求精心的進行結構布置，具體方法為：通過調整電梯剪力墻筒體和剪力墻的布置，使結構的剛心和質心盡可能的接近，從而減少結構的扭轉效應。不對稱的結構布置，必然兩側的剛度不等，在水平側向力的作用下，剛度大的一側變形小，剛度小的一側變形大，導致結構產生扭轉，結構的扭轉進一步削弱了結構抵抗側移的能力。

2)同一主軸方向各片剪力墻的剛度宜均勻。同一主軸方向各片剪力墻的抗側剛度盡量均勻，避免在某個部位設置過長的剪力墻。如果個別墻肢過長，當地震發生時，較長的墻肢由于其剛度較大，會吸收較多的地震能量，應力集中現象特別突出，很容易首先發生破壞，進而引起與其相連的其他墻肢的破壞，直至結構發生倒塌。同一主軸方向各片剪力墻的剛度均勻，在水平力作用下剪力墻的應力分布均勻，剪力墻的延性要求更容易實現。

3)盡量避免設計成一字形剪力墻。一字形剪力墻由于沒有翼墻的約束，平面外剛度很小，承受平面外的力時，很容易喪失穩定，因此，剪力墻結構中應盡量避免設置一字形剪力墻。在布置剪力墻時，為了符合建筑設計的要求，必須設置一字形剪力墻，則一字形短肢剪力墻應采取比帶翼墻短肢剪力墻更嚴格的抗震措施(軸壓比限值再降0.1)。

4)負荷面積相同的剪力墻軸壓比宜接近。在豎向荷載作用下，負荷面積相同的剪力墻其軸壓比應接近。為了控制成本，應使各墻肢的軸壓比接近JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規程(簡稱高規)的限值規定。軸壓比相差較大，柱的變形相差較大，為了保持變形的一致，必須通過剪力墻連梁或者框架梁來調整，勢必增大梁的配筋，給來的配筋帶來一定困難。

5)結構沿豎剛度均勻分布。底部的剪力墻承受的壓力最大，為了滿足軸壓比的要求，底部應設置較厚的剪力墻，而上部剪力墻承受的壓力小，剪力墻的厚度相對小一些，而且，剪力墻的厚度宜均勻變化，否則，在厚度突變處，產生應力集中，首先遭受破壞。

2 結構計算

2.1 結構試算

一般可先根據建筑的布置，初步確定建立幾個標準層，然后進行結構的組裝；計算時可先不考慮地震作用，查看剪力墻單獨在豎向荷載作用下的軸壓比情況，要求各墻肢的軸壓比應當均勻；否則，應采取調整剪力墻墻肢長度、厚度及混凝土強度等級，進行結構的二次分析，其結構應符合《高規》中關于層間位移、周期比、位移比等反應結構整體計算指標的要求。

2.2 結構計算二次調整

若周期比、位移比不滿足《高規》的要求，則應采取下列措施：1)增大結構外圍剪力墻的剛度，進而提高結構整體的扭轉剛度；2)減小結構中部剪力墻的數量或者改變中部剪力墻的布置，使得結構的平動周期增大，進而間接達到減小周期比、位移比的要求；3)查看結構的空間振型圖，找到位移相對比較大的位置，并在該位置布設剪力墻，重新進行結構計算使其層間位移、周期比、位移比等指標符合規范的要求。

2.3 結構計算中典型問題的處理

1)連梁超筋。連梁主要承受水平荷載，豎向荷載一般不起控制作用。在水平荷載作用下，連梁經常出現超筋現象，采用增大截面法的措施效果不好，應降低連梁剛度，進而減小地震作用，具體可采取下列措施：加寬洞口，增大梁的跨高比；降低梁高；容許開裂，對連梁剛度進行折減。

2)為了避免設計成短肢剪力墻，對于厚度為200 mm的剪力墻，墻體長度設計成1 600 mm～1 700 mm就不合適，若必須設計成短肢剪力墻，那么短肢剪力墻所占的份額不應太大。

3)避免樓面梁與剪力墻平面外相交。剪力墻平面外剛度及承載力較小，如必須設置與剪力墻平面外相交的樓面梁，則應在墻體的相應位置設置暗柱、扶壁柱或者沿梁長方面設置剪力墻。

3 控制建筑結構成本的方法

3.1 填充墻采用輕質高強材料

填充墻采用輕質高強材料，一方面可以減輕梁的負擔，減少梁的配筋量；另一方面，結構總體剛度降低，承受的地震作用減少，基礎造價降低。剪力墻邊緣構件、梁、板采用高強鋼筋，可以減少鋼筋用量，降低工程總造價。

3.2 精細的荷載計算

在結構的荷載計算過程中，墻體的荷載計算出入最大，其原因主要是關于門窗洞口的荷載折減多少的問題，折減的太多可能不安全，折減的太少，墻體荷載偏大，梁的配筋較多，不經濟。因此，墻體的荷載計算應當精細，可以根據洞口面積與墻體總面積的比值的大小進行折減，當洞口面積所占比例較大時，應當另外考慮窗體的自重。

3.3 精細的結構計算與合理的結構布置

1)當剪力墻僅考慮豎向荷載作用下，各墻肢的軸壓比盡量接近；2)墻體厚度較大時，連梁或者框架梁的寬度可以不與梁同寬；3)沿豎向剪力墻厚度變化宜均勻；4)在確保結構具有足夠的承受豎向及水平向荷載能力時，剪力墻之間的間距盡量拉大；5)各墻肢之間應由框架梁或連梁鏈接，避免出現懸臂墻肢；6)層間位移角接近《高規》中的限值。

4 工程實例

4.1 工程概況

某工程地上18層，地下1層，本工程總建筑面積10 374.57 m2，建筑高度54.4 m，標準層結構布置圖詳見圖1。設計基準期為50年，設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級，結構重要性系數為1.0。抗震設防烈度6度，設計基本地震加速度值為0.05g，水平地震影響系數最大值為0.04 。場地類別Ⅰ1類，設計地震分組第一組，特征周期為0.25 s。墻柱混凝土強度等級：基礎頂面-9.000 m混凝土強度等級為C35,9.000 m以上混凝土強度等級為C30。梁板中的受力鋼筋采用HRB400級鋼筋，分布鋼筋采用HPB300荷載按規范取值，墻體采用燒結頁巖空心磚。

4.2 工程經濟指標

本工程按照上述原則進行剪力墻結構的設計，混凝土用量為0.221 m3/m2，對于一個高度為54.4 m的A級高度的建筑，其混凝土用量經濟指標較好。梁、板、墻體中的鋼筋用量見表1。

表1 工程鋼筋用量 kg/m2

4.3 經濟性分析

針對本工程，剪力墻鋼筋用量最大，其次是梁和板，從表格中各構件的用鋼量可以看出，對于高層建筑剪力墻結構住宅，總共鋼量中剪力墻鋼筋用量所占份額最大，因此，結構設計人員應特別注意剪力墻的布置問題，另外，根據電算結果進行配筋時也不應隨意增大配筋。

5 結語

對結構設計進行優化并不是按照相關規范的下限進行結構的設計，而是應該最大程度的發揮材料性能。對于結構設計軟件不能準確分析的關鍵部位以及影響結構性能的重點部位，應用其他結構設計軟件進行補充分析或者對于重要部位從概念上予以加強。

在建筑設計的初步階段，結構設計師應與建筑設計師就剪力墻的布置多做溝通與協調，以避免由于建筑方案所造成的嚴重不規則。結構的優化設計涉及到多個專業，比如，建筑、電器、暖通、給排水等，因此，務必注意各個專業的協調與溝通。結構布置的好壞，直接關系到房屋建設成本的高低，一個好的結構布置及后期的精心設計就會形成一個比較優秀的設計方案，從而得到安全、適用、經濟的目的。

[1] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[2] 蔣 宇.淺談剪力墻結構中墻體布置與經濟性[J].建筑結構，2011,41(S2)：46-48.

[3] 劉昌軍,李海洲.淺談建筑結構中剪力墻的布置[J].建筑結構，2011,41(S1)：684-685.

[4] 傅學怡.實用高層建筑結構設計[M].北京：中國建筑工業出版社,2010:6-8.

[5] 馮中偉,劉宜豐.高層剪力墻住宅結構優化設計[J].建筑結構，2010,40(9)：124-127.

The optimization design of high-rise residential shear wall structure

Zhao Tidong Shen Jiwei

(Chongqing Three Gorges University, Chongqing 404000, China)

Based on the principles of shear wall structure layout should follow, this paper discussed the optimization design scheme of a high-rise shear wall structure, and analyzed the methods control of building structures cost, in order to make the building structures design to achieve the safety, economy, applicable target.

shear wall, structure layout, economy, structure calculation

1009-6825(2016)34-0054-03

2016-09-23

趙體棟(1986- )，男，助教

TU973

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