武漢某超高層純剪力墻結構的墻厚能效比研究

馬俊，李艷梅

（武漢正華建筑設計有限公司，武漢 430014）

1 引言

隨著城市核心地段的土地日益短缺，超高層建筑大量涌現，其中包括很多純剪力墻結構的住宅項目。剪力墻結構的優點是可根據建筑功能布局，巧妙地利用內外隔墻、樓電梯間布置剪力墻，減少了砌體隔墻的砌筑，且房間內部外觀較為平整，易于業主對室內空間的充分利用。JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》[1]要求三、四級剪力墻厚度不應小于160 mm，一字形獨立剪力墻的底部加強部位尚不應小于180mm。而建筑物因為節能保溫、防火隔音等要求，往往外墻及分戶墻至少需設計為200 mm 厚，內隔墻至少設計為100 mm 厚，同時蒸壓加氣混凝土砌塊的厚度模數多為100 mm、120 mm、150 mm、200 mm 等。故完全按JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》的最小厚度，會導致剪力墻與砌體墻在接茬處，有明顯的凹凸，難以施工平齊，影響美觀。另外，GB 55008—2021《混凝土結構通用規范》[2]中要求框架梁截面寬度不小于200 mm，剪力墻連梁大多數情況下需參照框架梁進行設計。若混凝土墻體較薄，對梁板的鋼筋錨固作用也較差，從而抗震性能較差?；谝陨戏N種原因，剪力墻結構的墻厚，多以200 mm為基本厚度。

2 工程概況

本工程位于武漢市主城區長江邊，建筑功能為純住宅。位移計算時，基本風壓按50 年重現期，W0=0.35 kN/m2，地面粗糙度為B 類。根據GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》（2016年版）[3]，抗震設防烈度為6 度，丙類設防，場地類別為Ⅲ類，地震影響系數最大值為0.055，剪力墻抗震等級為三級。地下2 層，地上48 層，地上首層高3.3 m，標準層及避難層高均為2.9 m，室內外高差0.3 m，建筑總高度為139.9 m。結構平面呈凸字形，兩端窄中間寬。結構長度為32.6 m，寬度為17.7 m，高寬比為7.9。主體采用現澆鋼筋混凝土剪力墻結構，屬A 級非超限高層建筑。

3 結構的能效比

結構的能效比是指結構消耗的材料量與對結構剛度貢獻大小的比較，具體可以用結構的含墻量（所有層剪力墻的體積與總建筑面積之比）與結構剛重比的比值來定義。對于同一建筑，不同的結構布置情況下，能效比指標越小則布置更優。設計時可以從以下兩個方面來控制：一是結構設計參數，可以用彈性層間位移角和結構整體剛重比來反映結構的剛度；二是整體造價經濟性和適用性，可用含墻量和墻地比（標準層剪力墻的投影面積與本層建筑面積之比）來量化結構的材料消耗。

本工程設計的重難點是如何在滿足整體結構剛度的情況下，使鋼筋混凝土材料的使用量最小，從而達到節能減排，節約整體造價，實現結構設計的更優能效比目標。

4 剪力墻結構的受力特點

剪力墻結構的空間整體性較優，整體側向變形的位移曲線呈典型的彎曲型?？捎幂^小的截面厚度，抵抗較大的水平荷載和豎向荷載，故而在超高層住宅建筑中被大量使用。本工程受建筑方案的限制，X向外側剪力墻開門窗洞較多，剪力墻較短且分散；Y向能對齊的剪力墻較少，不利用整體抗彎剛度的充分發揮。單片典型的剪力墻截面參數如圖1 所示。

圖1 典型的剪力墻截面示意

其抗側移剛度可以參考傅學怡的著作[4]，按式（1）估算：

式中，EJd為剪力墻的抗側移剛度；EIq為截面的彎曲剛度；β 為墻開洞的剛度折減系數；b、h分別為截面的腹板厚度和高度；m、n分別為截面形心到兩個翼緣形心的距離；A1、A2分別為兩個翼緣的面積。

由式（1）可知，若需提高剪力墻整體抗側移剛度，首先要增加剪力墻的長度，尤其是能對齊的長墻，其次是增加有效翼緣的面積。剪力墻的基本厚度常為200 mm 厚，故優先把能和隔墻重合的剪力墻做到最長。另外，建筑外圈的剪力墻連梁在遇到飄窗時，可以上翻做到約1 100 mm 高。為了獲得更高的凈空，內部連梁和框梁的高度通常控制在500 mm 以內。剪力墻混凝土等級一般最大用到常見的C60，墻厚為200 mm 時軸壓比大部分滿足規范限值要求，少量根據需求要加厚到250 mm。若此時結構整體指標還不能滿足彈性層間位移角限值1/1 000的要求，就需要考慮對剪力墻進行加厚設計了。

5 剪力墻的加厚設計

5.1 加厚的方式

剪力墻加厚的主要方式有Y向剪力墻整片加厚或加厚X向外側剪力墻翼緣。為了比較各種加厚方式的能效比，用盈建科（YJK）結構分析軟件進行試算對比。本工程共進行了以下3種結構布置方案試算，結構布置如圖2 所示。

圖2 剪力墻布置及加厚示意

5.2 結構布置介紹

布置一：加厚所有Y向剪力墻（示意略），從200 mm（局部250 mm）加厚到250~300 mm。根據墻長來區分，墻能對齊且較長的墻加厚到300 mm，較短的單片墻可加厚到250 mm；因建筑戶型設計得較為緊湊，此布置對開間較小的廚房、衛生間等房間的凈尺寸有一定影響。

布置二：加厚所有外側剪力墻（圖2 中點狀線示意），除兩端山墻厚度為350 mm 外，其余外側厚度均為300 mm；內部除了軸壓比不滿足需要加厚的個別剪力墻外，均按200 mm 的基本厚度設計。此布置對內部建筑功能的使用影響較小，業主較易接受。

布置三：根據剪力墻對抗側移剛度貢獻的大小進行精細化的加厚設計，成果見圖2 中虛線框示意。經過多次試算對比，矩形框內的剪力墻厚度為400 mm，云線框內的為300 mm厚，橢圓框內的為250 mm 厚，內部剪力墻的設計厚度同布置二。此布置使建筑的門窗洞口變得較厚，對視覺感官上有一定的影響；但房間一般進深大于開間，故對房間實際功能使用影響較小。

這里重點介紹下布置三的加厚方式在YJK 上的實現方式。由于本工程抗側移剛度是由Y向風荷載下的層間位移角控制，故抗風設計尤為重要。但在正常風荷載工況下，軟件計算得出的剪力墻的配筋均為構造或者計算值較小，難以區分每片剪力墻的抗彎剛度的大小。

下面介紹一種結構試算方法：可以先在結構模型參數中把基本風壓人為放大5~10 倍進行試算，在計算結果中查看每片墻的抗彎配筋數值（若出現截面超筋的情況可不用處理）。此時配筋數值較大的剪力墻抗彎剛度較大，對抗側移的貢獻也較大。實際工程設計時，可著重對這些配筋數值較大的剪力墻進行加厚處理。

6 剪力墻加厚的指標分析

6.1 計算指標

本文主要采用了結構頂點最大彈性水平位移、最大層間位移角、最小剛重比、墻地比、含墻量的指標進行分析比較，體現結構的能效比指標。計算整體指標時，從地下室頂板嵌固端算起，未考慮地下室的影響。經過試算，不同加厚方式的結構布置計算指標匯總如表1 所示。

表1 結構計算指標匯總

6.2 指標分析

3 種結構布置在風荷載工況下，Y向的結構頂點最大彈性水平位移相差不大，最大值與最小值差別在5%以內。根據規范[1]，對于整體呈彎曲變形的超高層剪力墻結構，可將結構的側向剛度近視簡化折算為豎向懸臂受彎構件的等效側向剛度。假定風荷載工況下倒三角形分布荷載的頂端最大值為q，在該荷載作用下結構頂點質心的彈性水平位移為Δ，建筑總高度為H，則結構的彈性等效側向剛度EJd可按式（2）計算：

由式（2）可以得出，在風荷載和建筑總高度一定的情況下，結構彈性等效側向剛度與頂點位移Δ 成反比。由表1 可知，布置二最優，但相差極小。

在風荷載工況下，3 種結構布置的最大彈性層間位移角均控制5%的富余量，保證了結構均有良好的剛度同時兼顧結構造價的經濟性。作為結構側向剛度的參考指標，3 種結構布置的差異基本可忽略。

另外，3 種結構布置的最小剛重比差異不大，均滿足規范1.4 的限值，布置三最優。較大的剛重比可防止在風荷載或地震荷載作用下，水平位移過大，從而使重力荷載產生的二階效應就越小，避免引起結構的失穩及倒塌。

結構的墻地比與含墻量指標，分別反映了業主使用的舒適性及結構造價的經濟性，兩個指標為線性比例關系。墻地比越大，意味著剪力墻占地面積越大。雖然建筑戶型的產權面積相同，但業主可使用的凈面積卻變小了，從而導致居住體驗感較差；另外，墻地比越大，豎向承重構件與砌體隔墻的比值就越大，業主在后期裝修過程中，對房間進行改造的可能性越小。以上因素可能會導致某樓盤產品在市場上的口碑較差，銷售情況不佳。

而結構的含墻量越高，混凝土及鋼筋的消耗也就越大，模板費、人工費、機械臺班費等間接費用就越貴。而超高層剪力墻結構中，混凝土剪力墻的材料消耗量往往占整個地上混凝土結構構件的一半以上。所以，要控制結構的含墻量，其對結構造價的影響較大。另在水泥燒制和鋼材冶煉過程中，需要大量的能源消耗，而且會產生較多的廢棄物和碳排放。因此，結構設計需響應國家倡導的發展綠色低碳建筑政策，從建筑全生命周期的各環節入手，采取節能降碳措施。

3 種結構布置的墻地比與含墻量指標的差異還是比較可觀的，方案一比方案三增加約9.2%。從表1 可以得出，布置三的能效比最優，故舒適性及經濟性指標更佳。本工程最終按方案三進行設計施工，建成后取得了良好的口碑和較優的經濟指標。

7 結語

由以上的分析可以得出，在滿足各項結構計算指標的前提下，精細化地進行剪力墻加厚設計，可以增加業主使用的舒適性，降低項目的工程造價。同時使減少建筑材料的消耗，達到節能減排的目的，從而使結構的能效比更優。