淺談高層剪力墻住宅結構優化設計

肖　雷（安徽省城鄉規劃設計研究院，安徽　合肥　230022）

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淺談高層剪力墻住宅結構優化設計

肖雷（安徽省城鄉規劃設計研究院，安徽合肥230022）

剪力墻結構在高層建筑中能夠很好的維持建筑本身的穩定性，且增強了建筑物的抗震能力，是設計高層建筑至關重要的組成部分。本文詳細分析了高層剪力墻結構的設計原則和結構布置，并通過一個實際的案例提出了相對應的剪力墻結構優化方法。

剪力墻；優化設計；結構布置；設計原則；實際案例

1　引言

為滿足經濟和科技等各方面的不斷發展和人們生活水平提高而對土地的大量需求，我國對住宅產業政策和土地政策進行了相應的調整，促進了房地產市場的高空化發展，使得高層高容的住宅小區層出不窮。房地產開發商需要對成本進行控制，各種高層剪力墻結構中最經濟實惠的則是鋼筋混凝土剪力墻。在保證建筑安全和功能完備的前提下，為了能將有限的資源實現最優配置，結構工程師需要面對巨大的挑戰，這也是結構工程師關注的焦點。

2　剪力墻結構設計原則

傳統的剪力墻結構設計原則主要具有三點：①經濟合理的結構總造價；②達標的抗震抗風能力，以及能夠充分抵抗水平荷載；③結構設計合理，能夠使材料的力學性能得到充分發揮。本文在以上三點原則的基礎上，對剪力墻結構設計進行了優化，如下：

（1）剪力墻的數量合理，剛度適宜。主要取決于兩個因素：①控制地震力，這是為了避免在發生結構頂點位移時，偏小的地震力計算值會造成與構造配筋要求匹配的假象；②剪力墻控制結構水平位移的值是有限的。

（2）為了減少短、小肢墻的數量，而盡可能多的使用普通的剪力墻。高層剪力墻結構的側移剛度是由它的側向剛度所決定的，為了加長墻肢長度而將兩端與翼墻相連在一起，這樣能夠減少短、小肢墻的數量。

（3）對墻肢長度的差異進行控制。減小墻肢在長度方面的差異，使得地震作用力能夠在各片剪力墻中均勻分配，充分發揮各片剪力墻的作用，使結構剛度均勻，避免墻肢超筋，有效抵抗側向荷載，所有鋼筋能夠在整個結構中得到充分的使用。

（4）合并水平分布鋼筋和短肢墻中的箍筋。所占范圍較大的約束邊緣構件是由截面高度較小的短肢剪力墻造成的，在合理范圍內設置拉筋和箍筋，會造成箍筋和水平鋼筋的重疊，從而浪費了材料，所以需要對拉筋和箍筋的數量進行合理的設置，合并水平分布鋼筋和箍筋。

（5）在對剪力墻的開洞時需要采取適當的處理方法。門窗洞是高層剪力墻結構中的必要且基本的部分，除此之外，還需要對結構洞通過方案調整和結構布置來進行設置。為了能夠將剪力墻的作用充分發揮，需要通過合理的設置長墻來降低結構洞的個數；而為了剪力墻結構能夠合理受力，應盡量設置長度均勻的墻肢，這樣使得地震作用力可以均勻的作用在每片剪力墻上。

3　結構布置

3.1剪力墻布置

在標準的高層住宅建筑中，剪力墻部位不同單位面積也具有不同的含鋼量，例如邊緣構件用鋼量所占單位面積在總用鋼量的30～50%之間、墻身用鋼量所占比例大約是45～65%之間，由此可知所布置的剪力墻的質量對整個結構的經濟指標具有很大的影響。布置剪力墻的原則：減少墻肢布置中的邊緣構件和剪力墻的數量，這樣使抗側力構件的布置數量減少，但同時獲得的抗扭剛度和抗側剛度能夠滿足規范要求。具體措施為：

3.1.1弱中部，強周邊

在建筑結構周邊的外圍處增加對剪力墻的布置，而為了加強剛度，在對高連梁進行設置時可以使用房間的窗臺。在建筑結構的中間部位，為了抗扭剛度在主體結構中增加，可以適當減少布置剪力墻；為了增強建筑外墻防水效果，可以控制結構的位移比例和周期比例。

3.1.2減少短墻，增加等長長墻

在確保水平和垂直兩個方向的承重前提下，設置剪力墻時，需要選擇對結構的垂直和水平荷載承受有利的隔墻位置，而將剪力墻之間的布置距離增大，是為了以防將多個剪力墻布置在小距離間。為了減少邊緣構件數目，加大結構整體方面的抗側剛度，需要控制剪力墻的個數，拉大其墻肢長度；且建筑平面的布置增加了靈活性是由于拉大了墻間距所實現的。

3.1.3減少復雜墻肢，增加簡易墻肢

小墻垛布置和剪力墻的連續轉折會增加邊緣構件，所以需要在布置剪力墻時對這兩方面進行考慮，除了必須在因墻體轉折位置上布置的暗柱，應盡量避免對其他暗柱的布置。

3.1.4少半框，多連續

通過框架梁和連梁將結構方向不同的剪力墻盡量連成整體，這樣可以形成的抗震、抗風結構能夠貫穿整個結構長度或寬度，會避免出現半框架和獨立的墻肢，能夠有效地增加剪力墻結構的抗側剛度。

3.1.5沿高度均勻變化

剪力墻厚度應均勻變化，且受到結構高度變化的影響，不宜僅在高層底部設置剪力墻，所以為了使得高層建筑能夠適應垂直方向和凈面積的承重要求，需要在底部大量布置厚度為20cm的剪力墻，而如果為了降低成本而在上部減少布置剪力墻的數量，這樣會增大層剛度的變化，既不利于抗震也不會達到經濟的效果；在底部設置厚度和數量合理的剪力墻，不僅使得底部大層高的要求得到滿足，還能夠避免為了確保墻體穩定而對墻厚增加的情況。

3.1.6各墻肢軸壓比盡量相等

考慮到垂直方向的荷載情況，剪力墻的墻肢軸壓比應該盡量無限接近其對應剪力墻結構的抗震等級軸壓比的限制值，這樣可以避免了對各墻肢軸向變形差的調整而導致的配筋困難、增加梁配筋數量的情況，減少了剪力墻結構自重和布置數目，使得每個剪力墻都能夠充分發揮在垂直方向的承載作用，避免了垂直方向的力因為梁構件出現塑性而發生重分布的情況，保障了剪力墻結構的安全性。

3.2梁板布置

在布置樓層梁的時候，需要確保樓層梁具有簡單明確的傳力路徑，這樣就可以對多次傳力、多重次梁的情況進行避免。梁的經濟跨度需要控制在3～5m之內；如果對連接一字形墻和剛度沒有要求，則不需要設置高連梁，這是由于梁高與混凝土用量是成正比的狀態，高連梁會使得構造配筋的數量增多。如果對剛度沒有要求，不需要設置厚度在350～400mm內的厚剪力墻，這樣能夠對混凝土用量和梁構造配筋量有所減少，可以省下空間來使得其他建筑功能的要求得到滿足。3.6m以內的較小跨度板上需要開洞口或設置隔墻的時候，洞口邊緣和隔墻位置處不能夠設置梁，但是可以將加強筋設置在板內，以此來避免設置梁而發生的受力復雜情況，以及設置梁造成的構造配筋導致的用鋼量增加情況的發生。

如果在結構角部需要對轉角窗進行設置，則將窗臺寬度相同的端柱設置在窗端，樓板的上下窗之間的高度可以設置為轉角梁的高度，對上下方位的窗臺板進行加厚處理，這樣就可以使得端柱和ㄈ字梁形成抗側力結構，這個結構能夠傳遞剪力和彎矩，大大改善了結構的抗震性。

4　實例分析

4.1工程概況

本文實例是地上是四十六層、地下是兩層的建筑，總體高度達到了144.2m，如圖1所示為標準層的結構平面圖。此建筑結構具有Ⅶ度的抗震設防烈度，50年的使用年限，地震分組為第三組，0.1g為設置的基本地震加速度，將抗震設防類別設置為丙類，場地類別為Ⅱ類；設置具有抗震等級為一級的剪力墻，基本風壓力為0.35kN/m2，結構安全等級為二級，地面粗糙度為B類。內部剪力墻厚度參數設置為：20層以下是35cm，30cm；20～34層是25cm，20cm；34層以上是20cm。外圍剪力墻厚度參數設置為：20層以下是 40cm，20～34層是30cm，34層以上是25cm。墻和柱的凝土強度等級參數設置：8層以下是C60，8～22層是C50，22～33層是C40，33層以上是C30。板和梁的凝土強度等級參數設置為C30。HRB335級鋼筋用在墻和柱的主筋上，HRB400級鋼筋用在板和梁上，HPB235級鋼筋用在分布筋上，HRB335級鋼筋用在箍筋上。按照相應規范對使用荷載進行取值，加氣混凝土砌塊用在隔墻部位。本文所選取的建筑是超限高層的B級高度建筑，施工前專項審查其超限高層的指標均符合規范要求。

4.2經濟指標

本工程按照4.1節的參數設置進行剪力墻設計，其中鋼筋的用量如表1所示，混凝土的用量是0.36m3/m2。由此可以看出，本工程的用鋼量指標和混凝土用量指標因為經濟而可以得到業主的認可。

4.3經濟分析

本工程中的各部位鋼筋用量在總用鋼量中的比例為：非加強區：墻身為0.205，板為0.162，暗柱為0.327，梁為0.306，合計為0.532。加強區：墻身為0.182，板為0.115，暗柱為0.485，梁為0.218，合計為0.667。

圖1　標準層的結構平面

表1　鋼筋用量（單位：kg/m2）

由以上數據可知，高層剪力墻結構中的具有較高份額的鋼筋用量，主要是以暗柱鋼筋用量為主，所以在對剪力墻設計過程中，需要盡量減少暗柱的設置數量，且由于用鋼量的敏感性而不能隨意增加配筋量。

5　結束語

高層剪力墻結構優化需要按照相應的原則，不能盲目設計，需要充分發揮材料的性能，盡量設計節約資源的方案。對結構中的重點部位需要按照實際情況達到精準的計算分析，并對矛盾分歧與業主進行溝通，達到安全、經濟和高質量的要求，實現結構優化的目標。

［1］湯海燕.普通高層住宅無粘結預應力混凝土樓板設計［J］.中國建材科技，2015，06：106～107.

［2］周洪彬.建筑主體結構施工技術重點分析［J］.建材與裝飾，2015，49：11～12.

［3］楊永鋒.框架剪力墻結構在建筑工程施工中的應用［J］.湖南城市學院學報（自然科學版），2015，04：16～17.

［4］梁興泉.高層轉換結構的設計［J］.山西建筑，2016，02：29～31.

［5］潘 嶠.高層建筑混凝土轉換層結構設計原則及實例分析［J］.住宅與房地產，2015，25：150.

肖 雷（1971-），女，高級工程師，大專，主要從事結構設計工作。

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2095-2066（2016）11-0139-02

2016-3-8