基于抗震設防烈度的高層建筑剪力墻結構優化

冼靜雯

（廣州博廈建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

隨著住宅產業的蓬勃發展，目前全國已建成的高層住宅采用剪力墻結構的占到90%左右［1，2］。在研讀近些年大量國內外參考文獻、國家《建筑抗震設計規范》GB50011-2010（2016年修訂版） （以下簡稱《抗規》）和《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）在高層建筑結構設計的經濟性及安全性等方面的明確規定［3］后，本文將以廣東地區高層住宅剪力墻結構為研究背景，依據建筑功能的要求以及結構本身的一些特點，對該剪力墻結構中剪力墻的結構進行了適當的優化，然后通過對比優化前后的結構方案，分析其抗震性能，以達到安全與經濟并存的目的。

1 剪力墻結構優化原則

剪力墻通常也被叫做抗震墻，具有相當大的抗側剛度，能有效的抵抗水平荷載作用，缺點就是平面布置不是特別靈活，吸收的地震能量也很大。進行剪力墻結構優化，其好壞將直接影響整個結構整體性和經濟性指標。剪力墻優化布置原則如下：在滿足規范要求的位移、抗側力、抗扭轉等要求下，盡量減少剪力墻的數量，并且采取有效措施減少邊緣構件的數量等。

1.1 滿足周邊強、中部弱布置原則

應盡可能在結構周邊及外圍布置剪力墻，必要時設置外圈高連梁以提高結構整體剛度。在結構中部，特別是樓電梯間的位置，盡量減少剪力墻的數量，實現整體結構的抗扭剛度提高，增加抗傾覆能力，便于控制結構的周期比和位移比等重要指標。同時剪力墻宜沿建筑物的兩個主軸方向雙向均勻布置，并盡量使結構剛度中心與質量中心重合，減少結構自身的扭轉效應。

1.2 盡量采減少短肢墻及超長墻的數量

結構設計時應盡量加長剪力墻墻肢的長度（但不宜大于8米），并減少短肢墻的數量，避免在小開間里設置多道剪力墻。通過這樣設計，可以高效發揮剪力墻的抗側移性能前提下，減少剪力墻布置的數量。同時，剪力墻數量減少后，邊緣構件的數量和暗柱的配筋面積相應降低，剪力墻之間的間距得到擴大，建筑的空間靈活性得到提高。另外，在結構設計中還是應該避免個別墻肢使用超長墻。超長墻因其剛度大，承擔的總地震力比例高，在超過設防烈度地震的作用下超長墻會首先破壞（受彎后產生的裂縫寬度會很大，墻體的配筋容易拉斷），其余剪力墻由于無法起到二道抗震防線的作用，結構有可能發生由局部超長墻破壞導致的連續倒塌。可通過在這類墻體中部設置洞口（跨高比＞6的弱連梁），將其分為長度較小的墻段，使每個墻段成為高寬比大于3的獨立墻肢或聯肢墻，避免因應力集中導致的結構安全問題。

1.3 少用復雜形狀異形墻及一字墻

剪力墻結構布置時，應多采用L型、T型墻肢，這類型墻體穩定性好，且能滿足框架梁鋼筋在墻肢端部的錨固構造要求。另外，由于連續轉折墻體會增加邊緣構件的數量，而一字墻在水平地震作用力下容易出現平面外穩定性破壞，基于結構安全和經濟性要求，也盡量少用連續轉折墻體和一字墻。

下面結合高層住宅建筑實例，對其剪力墻結構進行優化分析。

2 工程概況

下面選取廣東地區一個高層住宅層工程實例，探究設防烈度下該種戶型方案的最佳優化方案，并對比分析前后優化方案下的結構性能和抗震能力，以便為現實設計提供參考。

工程為高層住宅樓，總建筑面積為9314m2，設有1層地下室，地上有28層，標準層為住宅，層高2.90m。本工程按7度丙類建筑物進行結構設計，場地類別為Ⅱ類，其剪力墻抗震等級為二級，設防地震分組為第一組，設計地震烈度為7度，地下室頂板為上部結構嵌固端。結構標準層平面最初布置見圖1。

圖1 結構原模型平面圖

3 基于抗震設防烈度的剪力墻結構優化

目前高度在100m以下的鋼筋混凝土剪力墻結構住宅的設計一般未對剪力墻墻肢沿層數自下而上減小長度的細化設計，因此對剪力墻結構進行剪力墻墻肢沿層數自下而上減小長度的優化研究具有提高結構抗震性能和經濟效益的作用。

針對廣東地區常用的剪力墻結構布置形式，本文選取位于設防烈度為7度（0.1g）的廣東地區的建筑住宅為研究對象，重點對剪力墻墻肢的長度優化。

根據高層建筑混凝土結構技術規程規定，抗震設計時，剪力墻底部加強區的范圍，應從地下室頂板算起，可取兩層和墻體總高度的1/10二者的較大值。從第10層開始選軸壓比離限值較大的剪力墻墻肢，采取每隔一定層數減小剪力墻墻肢一定長度的方式進行優化，且在規定的水平地震作用下，短肢剪力墻承擔的底部傾覆力矩不宜大于結構底部總地震傾覆力矩的50%；所以在優化的過程中盡量使剩余墻肢長度大于8倍墻厚，這樣保證優化后的結構符合規范要求，根據以上要求，下面按自下而上逐漸減小剪力墻墻肢長度原則進行優化，并對優化前后的結構進行分析進行探討。

剪力墻結構在進行設計時很重視墻肢長度的問題，因為當墻肢長度過長時，墻肢在受彎后產生的裂縫寬度，墻體的配筋容易拉斷，相反，當墻肢長短過小，則有可能變成短肢剪力墻，不利于抗震。因此進行剪力墻結構布置時，需要注意墻肢長度的影響。

參照項目以上建筑平面布置圖1，在滿足建筑使用功能的基礎上，按自下而上逐漸減小剪力墻墻肢長度原則進行優化，優化后模型10～14層剪力墻布置見圖2，15～19層剪力墻布置圖見圖3，20～28層剪力墻布置圖見圖4。

圖2 優化后模型10～14層剪力墻布置

圖3 優化后模型15～19層剪力墻布置

圖4 優化后模型20～28層剪力墻布置

在STAWE軟件中，可以直接通過查看計算結果來得到各種工況下層間位移角。優化前模型，在地震作用下，X向1/1116，Y向1/1309，優化后模型X向1/1062，Y向1/1166。在調整過程中分析發現：優化前后結構都符合規范關于樓層最大層間位移角限值的規定。優化后在兩種工況下的最大層間位移角比優化前相應工況下的層間位移角稍大且更加接近規范限值，說明優化后結構剛度較優化前變小，構件設置更加合理，可以適當減少墻肢長度。

優化前位移比結構X向1.11，Y向1.06，優化后位移比結構X向1.10，Y向1.04，優化后的X向、Y向的位移比都有所減小，說明優化后的剛度分布更加合理，扭轉減小。

另外，首層軸壓比在0.40～0.44之間的剪力墻數量最多，而在0.30～0.34之間的沒有。優化后的軸壓比在0.35～0.39之間的剪力墻最多，0.40～0.49之間次之。通過對比可以得出優化后模型軸壓比普遍減小，這是由于自下而上減小剪力墻墻肢長度使結構整體自重減小，以及整體剛度減小，結構吸收的地震作用減小的結果，使得剪力墻豎向承載力具有較大儲備，相應的結構延性更好。

按自下向上減小剪力墻墻肢長度的方式優化后，各層層間剪力都有所減小。說明自下而上減小剪力墻墻肢長度導致結構自振周期增大，所以減小了結構所受的地震作用力，從而減小了地震作用對結構的不利影響，這也與理論相符合。

4 經濟性分析

結構的經濟性主要反映在結構材料用量上，在所有結構構件耗鋼量中，剪力墻、梁、板以及樁基礎占很大部分，特別是剪力墻的鋼筋用量占到28%左右。本工程進行結構設計化，通過經濟分析得到該工程混凝土用量為2500.7m3，鋼筋用量293440m3。優化后比優化前節約混凝土121.10m3，單位面積混凝土減少0.014m3，節約鋼筋8386.7kg，單位面積鋼筋用量減少0.9kg，得到業主的肯定，并對類似工程具有指導意義。

5 結語

按建筑相關功能要求，對結構優化上還可以通過剪力墻根據建筑整體方案和洞口布置情況建立模型，同時考慮到剪力墻結構具有較大的整體抗側剛度，對某些剪力墻設置構造洞口，同時將一字形截面改為T形或L形截面等。但結合本項目的實際情況，重點對剪力墻墻肢的長度進行優化，以實現項目在地震受力性等方面的優化。可以看出優化前后結構均符合國家相關規范要 求且優化后的結構性能大體上優于優化前結構，同時項目能夠把模型調整到最優模型使各種材料充分發揮其性能即“物盡其用”，對抗震性能和經濟效益都具有積極意義。