高層住宅剪力墻結構優化探討

周春雷

（鄭州市建筑設計院， 河南 鄭州 450052）

高層住宅剪力墻結構優化探討

周春雷

（鄭州市建筑設計院， 河南 鄭州 450052）

剪力墻結構具有整體性好，抗側剛度大，水平荷載作用下側移小，承載力容易滿足，墻面平整等優點被普遍應用。本文主要從剪力墻布置的位置，剪力墻墻肢長度，連梁等這幾方面對高層住宅剪力墻結構優化的概念設計進行探討，從而給高層建筑的優化做出一些理論上的指導。

剪力墻；連梁；結構優化

1 引言

隨著金融經濟和科學技術的快速發展與增進，我國人口數量增加之飛速，為了節約耕地，高層建筑特別是高層住宅受到了大范圍的應用與推廣，它的發展在近些幾年也是相當飛速，結構體系也日益多樣化。高層建筑有利于節省和集約化的利用土地資源，解決城市房屋緊張，減少市政基礎設施和美化城市空間環境，換句話說，高層建筑的發展開創了整個建筑業的新紀元[1]。

高層居住建筑（包括住宅、公寓、飯店）通常要求在合理的占地范圍內爭取更多的建筑使用面積，尤其是很多發展中及發達城市按規劃要求約束總高度的情況下，層數較低而凈空可爭取高一些，而采用現澆剪力墻結構有顯著的優越性，可以做到房間內不露梁柱，簡潔明快，承重墻與分隔墻結合，有效使用空間大，隔音效果好。

剪力墻結構具有整體性能好，抗側剛度大，水平荷載作用下側移小，承載力容易滿足，墻面平整等優點，所以近幾年在非地震區和地震區的高層住宅建筑中得到了普遍的應用。

日前工程實踐中設計師的實踐經驗決定著大部分剪力墻結構的布置。一個要特別引起我們注意的現象是，出于對結構的安全以及設計的進度等多方面實際的考慮，設計師對剪力墻結構的設計采取相對安全的結構布置方案，一定會在某種些方面上存在結構的不合理性和不經濟性。然而對剪力墻結構的布置與設計進行相應的優化分析是十分必要。

2 結構優化設計的發展歷史

結構設計過程中必然地會產生優化的想法，從二十世紀初就努力地做過一些優化結構設計的工作，然而當時力學和水平有限而收效不明顯，更重要的因素是沒有前衛的科技支持來解決計算工作量大的問題。發展到六十年代，廣泛地應用電子計算機，優化工作才開始有所明顯進展，且在結構設計實踐中應用更加廣泛。

什么叫設計優化方法，就是將設計限制全部作為約束條件通過設計變量或性能變量的一組不等式表示出來，將最能反映出主要設計要求的量作為目標函數（即設計變量的函數），用數學手段求出全部約束條件使目標函數為最小的設計變量的一種設計方法；也可以認為是在各種規范滿足下或特定要求的某些條件下，研究出結構設計優化中遇到問題的解決方法。并能保證結構正常工作的強度、剛度和穩定的要求[3]。

3 高層住宅剪力墻結構優化的關鍵問題

針對高層建筑剪力墻結構形式優化研究的核心在于：

1）經過對原結構形式的動力特性、變形情況、內力特性、構造措施等因素通過全方位的考查基礎上，優化構件的分布位置、混凝土強度等級、剪力墻墻肢長度、墻截面厚度以及連梁的剛度，并對結構優化前后的相關性能進行對比，從而對結構形式優化后比較得出此建筑最終結構方案。

2）研究比較通過上述結構優化前后的性能，分析總結出控制剪力墻結構經濟合理方案的因素。

3.1 合理的剪力墻長度對結構的影響

通過建立三種不同墻肢長度的結構對比模型（前提是剪力墻布置的位置一致）：未開洞剪力墻墻肢 H1、開洞剪力墻墻肢 H2、去除洞口將兩片墻進行合并后的剪力墻墻肢H3。將三種模型的計算結果進行對比分析可得：隨著墻肢長度由H1至H2至H3，在混凝土強度等級，墻厚等都相同的情況下，結構周期和周期比在下降，最大層間位移角也在下降，Y方向的最大層間位移角比X向最大層間位移角下降明顯。

此種因素影響下的結論就是墻肢的長度越長，其抗側剛度越優，抵抗扭轉性能更好，開有洞口的剪力墻的抗側剛度低于沒有開洞的墻肢的抗側剛度，高于去除洞口將兩片墻合并情況的抗側剛度。

在能夠保證垂直和豎向承重的前提下，要仔細選擇對承受水平和豎向荷載有利的位置布置分隔剪力墻，盡量將剪力墻布置的間距拉大，避免在相對較小的間距內布置多道剪力墻。一般可以通過延長剪力墻墻肢的長度，減少剪力墻的數量，從而使結構整體抗側剛度增加，邊緣構件的數量減少，由于墻間距離拉大。從而增加了建筑平面布置的靈活性。

但要注意，在一個結構單元中，布置剪力墻時應該盡量避免使個別墻肢成為長墻。如果個別墻肢較長而其他墻肢較短時，長墻墻肢承擔的總地震力的比例比較大 當該道剪力墻在超過設防地震的作用下首先發生破壞時，其余的結構不能起到第二道抗震防線的作用，則可能會導致整體結構因個別長墻的破壞而發生連續倒塌。

3.2 連梁的剛度對結構的影響

以剛度大強度高為優點的剪力墻結構被普遍應用在高層建筑中，在小震作用下具有較大的剛度，在大震作用下以連系梁的首先屈服來降低結構的剛度，從而達到降低地震作用的目的。它很好的滿足了我國新的抗震設計規范所規定的“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設計原則[4]。

連梁剛度的合理判斷及配筋設計對結構的影響不能忽視，首先連梁應與剪力墻取相同的抗震等級，為了實現連梁的強剪弱彎、推遲剪切破壞，提高延性，應當采用實際抗彎鋼筋反算設計剪力的方法；但是為了程序計算方便，對于一、二、三級抗震采用了組合剪力乘以增大系數的方法確定連梁的剪力設計值，對于 9度一級抗震等級的連梁，設計時要求用連梁實際抗彎配筋反算增大系數[2]。

因此對于高層建筑結構來說，連梁的合理設計，實現強剪弱彎非常的重要。一般連梁的跨高比都較小，容易出現剪切斜裂縫，為了防止斜裂縫出現后的脆性破壞，除了減小其名義剪應力，并加大其箍筋配置，腰筋配置等。當洞口較小，在整體計算中不考慮其影響時，應將切斷的分布鋼筋集中在洞口邊緣補足，以保證剪力墻截面的承載力。

隨著高層建筑的的飛速發展，剪力墻成為高層建筑結構的一種重要形式，大量的工程結構廣泛在運用。就目前來講我們對于剪力墻的優化布置大多還停留在工程師的經驗上，全面詳細的剪力墻優化布置原則和方法還沒有。規范中也沒有詳細介紹剪力墻的優化布置。這方面的理論缺陷在今后的實踐和研究中逐步完善。

[1]賀海斌. 高層建筑剪力墻結構中剪力墻合理數量的研究[D].湖南：湖南大學.2009.

[2]中國建筑科學研究院.高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社,2011.

[3]張華鋒.淺談高層住宅剪力墻結構設計[J].北京：建筑結構,2009(11).

[4]中國建筑科學研究院.建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2010.

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1007-6344（2017）09-0275-01

周春雷（1985-)，男，鄭州市建筑設計院，主要從事建筑結構設計。