剪力墙布置位置的设计优化

宋 瑛

(太原市建筑设计研究院，山西太原 030002)

1 剪力墙的主要特点

由剪力墙组成的承受竖向和水平作用的结构称为剪力墙结构(Shearwall Structure)。

剪力墙结构中的墙体既承受竖向荷载，又承受水平荷载，其中承受平行于墙面的水平荷载是墙体的主要作用。剪力墙平面内的刚度很大，而在平面外的刚度很小，对于剪力墙的侧向稳定，各层楼盖对它的支撑起着很重要的作用。在水平荷载作用下，墙体的工作状态如同一根底部嵌固于基础顶面的直立悬臂深梁，墙体的长度相当于深梁的截面高度，墙体的厚度相当于深梁的截面宽度，墙体属于压、弯、剪复合受力状态。在抗震设防区，水平地震作用也是主要的水平荷载，因此剪力墙有时也称为抗震墙。

根据墙体的开洞大小和截面应力的分布特点，剪力墙可划分为正截面剪力墙、整体小开口剪力墙、联肢剪力墙和壁式框架等类型。不同类型的剪力墙具有不同的受力状态和特点。

剪力墙结构的主要优点有施工速度快、室内布置方便、抗震性能好，用于住宅时，室内没有外凸的柱角，方便家具的布置和分隔，有利于分户、防火、防盗、隔声。剪力墙结构的主要缺点是由于墙体间距的限制，空间灵活性差，和框架、框架—剪力墙等其他结构形式相比，经济性并无优势，墙体(除隔墙外)、楼板都是钢筋混凝土现浇而成，材料消耗量很大，整个建筑结构自重较大。

2 剪力墙结构的成本分析

随着城市化进程的加快和经济建设的快速发展，我国高层建筑的高度也在不断增高，每一个新的高度就有一个新的建设投入，这为高层建筑建设成本的确定带来难度。

在7度抗震区(0.20g)，结构高度不超过100 m的高层建筑中，剪力墙结构的用钢量一般在45 kg/m2～90 kg/m2左右。剪力墙墙体及端柱用钢量所占比例较高，即竖向构件所占的比例一般超过60%。超高层建筑是我国近年来发展起来的新型建筑形式，超高层钢板剪力墙结构在我国也已出现(天津津塔高336.9 m)。超高层建筑通常采用全剪力墙结构、筒体结构、钢结构或钢结构与前两种结构形式的混合结构。一个45层、建筑高度在130 m左右的超高层住宅建筑，钢筋总用量为90 kg/m2～105 kg/m2，混凝土总含量约为0.75 m3/m2～0.90 m3/m2。考虑模板技术、混凝土泵送技术、垂直运输设备和各项降效等因素，其结构部分的造价约为1 400元/m2～1 500元/m2，其中地下部分约占40%，地上部分约占60%。对比高层住宅，其钢筋含量高出约20 kg/m2～35 kg/m2，混凝土含量高出约 0.15 m3/m2～0.3 m3/m2，结构工程造价约高出550元/m2～650元/m2。

剪力墙材料用量是整个结构材料用量的核心，在满足安全适用的前提下，如何使剪力墙的材料用量更经济是结构设计师研究探讨的重要课题。剪力墙结构的设计优化也是首先从减少剪力墙结构材料的角度考虑的。影响剪力墙材料用量的几何因素主要是墙肢的长度和厚度，在设计中为了保证结构为一般剪力墙结构，剪力墙的长度须按规范要求进行设置，一般不宜减短。同时，结构的刚度与剪力墙长度的三次方成正比，与厚度的一次方成正比，因此减小剪力墙截面厚度既可以有效减少材料用量，又不至于严重削弱结构的刚度。一般来说，剪力墙的设计应在满足稳定性的前提下，尽量减薄，也就是在满足刚度等要求的前提下，达到减少剪力墙材料用量、节约造价的目的。

3 剪力墙布置位置的优化

剪力墙的布置方式很大程度上决定了剪力墙的刚度及刚度的分布，确定剪力墙的布置原则是剪力墙结构设计和结构设计优化的第一步。现通过如图1所示的简单模型来说明剪力墙的布置方式决定了剪力墙结构的刚度，从而得到调整与控制剪力墙结构体系刚度的思路和方法，得到剪力墙布置的原则。

如图1a)所示，墙体在x方向没有刚度，图1b)中抵抗中心与力作用中心不重合，抗扭刚度很差，所以图1a)，图1b)的剪力墙不利于对水平力的抵抗，图1d)中，剪力墙形成筒体，这种布置方式能很好地抵抗任何方向的水平作用力，图1c)，图1f)中剪力墙的布置都有利于抵抗任何方向的水平作用力和扭转，图1g)中相互垂直的剪力墙可以抵抗剪力，但抗扭能力差。所以在下面例图中，图1c)，图1e)，图1f)是相对较好的布置形式。

图1 剪力墙优化布置示意图

通过对以上简单模型的分析，可以得出剪力墙结构中剪力墙的布置原则为“周边、对称、成对、封闭”，按照此原则去布置剪力墙可以得到较大的平面刚度和抗扭刚度。把这种思路用于结构工程设计中，可优化剪力墙布置的位置。

4 剪力墙布置位置的设计优化

根据统计，在7度抗震区，高层剪力墙结构的住宅标准层中，单位面积含钢量中，剪力墙墙身用钢量约为45%～65%，剪力墙边缘构件(即暗柱)用钢量约占30%～50%，因此，从用钢量可以看出，剪力墙的钢筋用量占总用钢量的份额较大，其中又以暗柱钢筋量最大，因此在设计中，设计人员应特别注意剪力墙的布置，减少不必要的暗柱设计。

剪力墙布置的是否合理直接关系到整个结构的经济指标，在设计中为做好剪力墙的布置时，应采取如下思路和措施:1)剪力墙布置的一般位置。平面形状凹凸较大处，是结构的薄弱部位，宜在凸出部分的端部附近布置剪力墙。剪力墙不应设置在墙面开大洞的部位，当墙有洞口时，洞口宜上下对齐。剪力墙应双向布置，形成空间结构，特别是在抗震设计中，不应只在单向布置剪力墙，应使两个方向刚度尽量接近。剪力墙的抗侧刚度和承载力均较大，为充分利用剪力墙的能力，减轻结构自重，增大剪力墙结构的可利用空间，剪力墙不宜布置太密，应使结构具有较为适宜的侧向刚度。为避免施工困难，不宜在变形缝两侧同时设置剪力墙。2)强周边，弱中部。也就是剪力墙宜布置在建筑物的周边附近，以使它充分发挥抗扭作用，必要时可利用房间窗台设置高连梁以加强刚度。在楼(电)梯间，平面形状变化及静载较大的部分应设置剪力墙。楼、电梯间等竖井的设置，宜尽量与其附近的框架或剪力墙的布置相结合，使之形成连续、完整的抗侧力结构。3)剪力墙的布置宜多均匀长墙(长度不大于8 m)，少短墙。要注意选择在对结构承受水平及竖向荷载有利的隔墙位置设置剪力墙，尽量拉大剪力墙间距，避免在较小的间距内布置多道剪力墙。通过加长墙肢的长度，减少墙肢的数量，使结构的侧向刚度增加，边缘构件数量减少，并且由于墙间距的拉大，增加了建筑平面布置的灵活性。设计中应体现使其结构竖向和水平向具有合理的刚度及承受荷载的分布，尽可能将剪力墙的墙肢截面高度稍大于8倍墙厚，符合一般剪力墙的要求。剪力墙也不必按开间布置，两间合并布置为大开间剪力墙也是不错的选择。4)多L形、T形、十字形墙肢，少复杂形状。剪力墙尽可能设计成“L”形、“T”形，有利于剪力墙结构的稳定性，同时能形成较好的侧向刚度。在同样满足规范各项指标的情况下，更能减轻结构自重，减少结构构件，有利于降低工程投资。根据工程经验，对于“L”形、“T”形剪力墙，当一个方向的墙符合一般剪力墙要求时，另一个方向的墙肢不宜过短，较小的墙肢常常会出现较大的配筋，一般宜控制在1 m左右，使墙端暗柱配筋接近构造配筋为宜。5)墙肢应沿高度均匀变化。剪力墙厚度应沿结构高度均匀变化，不宜采取在上部为控制成本而减少剪力墙设计数量的设计方法，此做法会使层刚度变化加大，不利于抗震，同时也不一定经济。宜在结构底部合理设置较厚的剪力墙，厚度随结构高度增加而均匀变化，此做法也满足底部楼层层高较大的要求，避免为保证墙体稳定性而人为增加墙厚的情况。6)各墙肢轴压比宜接近。各墙肢的轴压比宜基本接近并尽量靠近相应结构抗震等级轴压比限值。剪力墙受剪承载力较大，绝大多数情况下抗剪不起控制作用，实际工程设计中剪力墙截面可由轴压比控制，以保证剪力墙的延性。同时各片墙体的轴压比宜尽量均匀，这样可保证各层各片绝大多数剪力墙都均匀受力，处于抗震构造配筋状态。

总之，随着城市化发展以及建筑用地的紧张，高层建筑将日益增多。剪力墙结构具有整体性好，侧向刚度大，抗侧力性能好的特点，而且没有梁、柱外凸，便于房间内部布置。剪力墙结构形式在高层建筑，尤其是住宅中的使用越来越多，对高层建筑设计要力求合理性与经济性，剪力墙结构设计中有很多需要注意的问题，只有熟练地掌握规范，才能设计出安全又经济适用的优秀作品。

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