有關剪力墻結構優化設計的思考

周秀巖

摘要：高層建筑剪力墻結構廣泛應用，如何在滿足規范要求各項技術指標的前提下優化設計，從而降低工程造價。

關鍵詞：剪力墻;剪力墻結構;建筑結構設計

現階段，隨著經濟和科技的快速發展，城市土地愈加緊張，住宅類建筑向高層及超高層發展已成趨勢。剪力墻結構是一種常見結構形式，特別是在量大面廣的高層住宅中被廣泛應用。本人在實踐中發現，同一建筑方案，不同的剪力墻布置對混凝土用量及鋼材量的影響差異明顯，對工程本身的經濟指標影響巨大。

1 剪力墻結構概述

剪力墻（shear wall）又稱抗風墻、抗震墻或結構墻。剪力墻結構是用鋼筋混凝土墻板來代替框架結構中的梁柱，能承擔各類荷載引起的內力，并能有效控制結構水平力的結構體系。這種結構在高層房屋中被大量運用。結構墻的高度一般與整個房屋的高度相等;其寬度一般為幾米到十幾米。相對而言，它的厚度則很薄，僅為200～300mm。因此，結構墻在其墻身平面內的抗側移剛度很大，而其墻身平面外剛度卻很小。所以，建筑物上大部分的水平作用或水平剪力通常被分配到結構墻上，這也是剪力墻名稱的由來。

2 剪力墻結構的優化

結合自己的工作經驗和工程案例下面從墻肢布置、結構計算參數取值、性能控制指標（ 如位移角） 三個方面討論在建筑工程設計中如何優化剪力墻結構設計，為更多的設計者打開思路

2.1 平面布置原則

墻肢布置的優劣直接從宏觀上影響整個建筑結構的力學性能和經濟指標，因此優化布置是進行剪力墻結構優化設計的關鍵。剪力墻布置宜遵循如下原則。

2.1.1 墻肢均勻布置

剪力墻構件作為高層剪力墻結構主要的抗側移構件，進行結構設計時應充分發揮墻肢間的聯動效用。因此進行結構布置時，同一方向的墻肢宜均勻布置，在平面上形成多道聯肢剪力墻協同工作，盡量避免剪力墻錯位布置。可通過適當加強周邊剪力墻以及外圈梁，調整結構剛度中心與結構平面幾何形心、質量中心的相對位置，盡量做到“三心”重合的理想效果。

2.1.2 避免使用短肢剪力墻或長墻

由于短肢剪力墻的延性較差，且構造要求高，鋼筋用量較大，結構布置時應避免使用短肢剪力墻。墻肢長度過長，剛度過大，會造成地震力比較集中。剪力墻結構中如果存在少量長墻，地震作用下的樓層剪力主要由這部分長墻承受，發生超烈度地震時該部分墻肢由于承受巨大的地震力往往首先破壞，由于其他墻肢的承載力較弱，容易造成剪力墻墻肢由強到弱各個擊破的破壞形式，最終導致結構倒塌。因此，進行剪力墻結構布置時宜使各墻肢剛度接近，盡量避免使用長墻。

2.1.3 優先采用帶翼緣墻

L 形、T 形的剪力墻因墻肢端部的翼墻起到扶壁作用，穩定性較好，同時也比較容易滿足框架梁搭接在剪力墻端部時鋼筋的錨固長度要求，進行結構布置時宜優先采用。L 形、T 形墻的翼墻長度可控 制 在 0. 5 ～ 1. 0m，翼墻長度越短，則配筋越少。

2.2 計算參數的敏感性

對剪力墻結構鋼筋用量敏感的參數包括： 周期折減系數、連梁剛度折減系數、梁剛度增大系數、考慮壓筋影響的梁配筋計算、考慮樓板作為翼緣的梁配筋計算、樓板計算假定、次梁的抗震等級等。限于篇幅，以下選取周期折減系數和樓板計算假定進行分析。

2.2.1 周期折減系數

周期折減系數不影響結構剛度，但影響結構的地震效應大小。周期折減系數可通過軟件計算得到，如采用 GSSAP 軟件分別計算有填充墻模型和無填充墻模型的第一周期，以這兩個周期的比值作為折減依據。

某 12 層剪力墻結構，該結構填充墻比較多，計算得到的周期折減系數為0. 95。某 32 層剪力墻結構，該結構填充墻比較少，計算得到的周期折減系數為 1. 0。

工程實踐表明，周期折減系數每下降 0. 1，基底地震剪力增加 3% ～ 10% ，地震力的增大將會導致配筋增大。因此，周期折減系數應慎重選取，一般剪力墻住宅結構可取 0. 95。也可通過計算結構（ 考慮填充墻剛度） 的基本周期來確定。

2.2.2 樓板計算假定

在結構整體計算中，一般情況下樓板可采用剛性板或彈性板假定。剛性板假定下可通過梁剛度放大系數考慮樓板的剛度貢獻，而彈性板假定下，樓板與梁共同工作，較真實地考慮了樓板面外剛度的貢獻。采用不同的樓板假定所計算得到的梁板內力分配不同，從而梁板的計算配筋也不同。

某 32 層剪力墻住宅結構，其標準層結構平面布置圖略，樓板分別采用剛性板（ 中梁剛度放大系數取 1. 8） 和彈性板（ 殼元） 假設進行計算，得到的結構第一周期分別是 2. 784s 和 3. 025s，可見，基于彈性板假定的結構整體剛度比剛性板假定大，基于彈性板假定計算結果進行設計比基于剛性板假定要節省鋼材，每平方米梁鋼筋用量減少約 2kg。

2.3 不同層間位移角的材料用量比較

某品字形高層住宅，結構總高度為 97. 5m，地下1 層，地上 32 層，首層層高 4. 5m，標準層層高 3m。本工程位于 7 度區，基本地震加速度 0. 10g，Ⅱ類場地，設計地震分組為第一組，基本風壓 0. 30kN /m2 ，地面粗糙度為 B 類。通過修改抗側力構件的截面尺寸和局部調整結構布置，使得結構在多遇地震作用下的最大層間位移 角 分 別 滿 足 1 /700，1 /800，1 /1 000，1 /1 300，1 /1 600的限值要求。

由表 2 可知，層間位移角按 1 /1 300 的限值控制的鋼筋用量最少，層間位移角按 1 /700 的限值控制的混凝土用量最少。可見，結構剛度越大，剪力墻用鋼量越大，梁用鋼量越小，但混凝土用量越大。比較材料總造價，則層間位移角限值越大越節省材料用量; 若執行《高層建筑混凝土結構技術規程》（ JGJ 3—2010） （ 簡稱高規） ，則層間位移角接近1 /1 000 限值時材料用量最節省。

3 結束語

總之，在整體的工程建筑結構中，剪力墻結構擁有著非常重要的作用。作為一名結構設計工作者，如何在激烈的市場競爭中立足，如何執行好國家各項設計規范，如何保證結構安全的前提下使結構設計經濟合理。是值得我們進一步思考的。

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