高层剪力墙结构的优化设计

秦东

摘 要：本文针对剪力墙结构的特点，对剪力墙结构进行概念分析，总结出剪力墙结构的设计要点和结构设计优化的思路，列出了剪力墙结构的一般经济指标。剪力墙结构经过优化设计，可以提升结构设计的品质，降低工程造价，达到技术性和经济性的统一。

关键词：剪力墙；优化设计；经济分析

前 言

建筑结构优化计，是采用合理的结构体系和方案，在满足各种规范的条件下，选出的最可靠，经济的设计方法。经过优化后的结构设计，可使建筑工程总造价降低10～35%，这笔隐形的利润总额非常巨大，对于减少项目投资、增加企业利润、提高资金周转率等都有帮助，具有巨大的经济价值。

钢筋混凝土剪力墙可进行灵活布置，结构侧向刚度大，连梁具有很好的耗能性能，因而在民用建筑（主要用在高层住宅）中广为采用，剪力墙结构的优化设计有着十分重要的意义。

1 剪力墙结构概述

剪力墙结构是以剪力墙及因剪力墙开洞形成的连梁组成的结构。剪力墙结构用钢筋混凝土墙来抵抗竖向荷载和水平力，其变形特点为弯曲型。现浇的钢筋混凝土剪力墙结构整体性好，侧向刚度大，承载力大，在水平力作用下侧移小，抗震性能好。

剪力墙结构中，墙体除承受沿其平面作用的水平剪力和弯矩外，还承担竖向压力，是在轴力、弯矩和剪力的复合状态下工作。其受水平力作用下类似一个底部嵌固于基础上的悬臂梁，在地震作用或风荷载作用下，剪力墙除满足刚度强度要求外，还须满足非弹性变形反复循环下的延性，能量耗散和控制结构开裂而不倒的要求，墙肢必须能防止墙体发生脆性剪切破坏，设计时应将剪力墙设计成延性弯曲型剪力墙。

2 剪力墙结构的优化

剪力墙结构的优化设计，应从概念阶段入手，将结构水平位移和地震力控制在合理的范围之内，然后检查结构的内力和配筋，对重点部位的配筋进行单独的分析，最终确定合理的含钢量。

剪力墙结构在概念阶段的优化，要从总体上合理布置剪力墙的位置，确定剪力墙的数量、长度、厚度，以“周边、对称、成对、封闭”的原则去布置剪力墙，可以得到较大的平面刚度和抗扭刚度。具体实施时，应采用以下措施：強周边、弱中部；多均匀长墙，少短墙；多L形，T形、十字形墙肢，少复杂形状；沿高度均匀变化；各墙肢轴压比接近并尽量靠近相应结构抗震等级轴压比限值。在确定剪力墙数量、长度、厚度时，应在设计时控制其基本自振周期，一般为0.05～0.08n（n为结构总层数）较为适宜，同时，设计时尽可能接近规范要求的层间位移角限值，如计算结果相差太多，说明剪力墙结构刚度较大，剪力墙布置数量太多，应适当减少墙体数量。《建筑抗震设计规范》GB50011-2010规定，剪力墙的墙肢长度不大于墙厚的3倍时，应按柱的有关要求进行设计，设计时应避免出现过短的墙肢，同时，墙肢过长时，相对刚度较大，其吸收的地震作用也大，因此，应尽可能使同一层内的各墙肢刚度大致均匀，使传至各墙肢的地震作用大致均衡。在一片完整的剪力墙墙肢上开洞，虽然可以减少混凝土用量和减小侧向刚度，但洞口两侧的边缘构件以及顶部的连梁会相应的增加钢筋用量和人工费用，一般不建议采用。结构的刚度与剪力墙长的三次方成正比，与厚度的一次方成正比，因此减小剪力墙截面厚度即可以有效减少材料用量，又不至于严重削弱结构的刚度。一般来讲，剪力墙的设计应在满足刚度及稳定性的前提下，尽量减薄，达到减少剪力墙材料用量节约造价的目的。

剪力墙除作为抗震构件之外，还有一个作用是作为竖向承重构件，因此，混凝土强度等级不宜过低，一般下部楼层C30～C40，上部楼层C25～C30为宜，这样有利于减小剪力墙的截面、节省材料，减轻自重。在普通剪力墙和短肢剪力墙的判别上，除按规范要求的时为短肢剪力墙外，还需注意，通过连梁连接的两个墙肢很短的剪力墙，因为连梁刚度很大，属于联肢剪力墙，不属于短肢剪力墙，而通过跨高比很大的梁相连的两个墙肢很短的剪力墙，每个墙肢基本上是独立工作，属于短肢剪力墙。L形的剪力墙，虽然有一个方向属于短肢，只要另一个方向满足普通剪力墙的长度，就应属于普通剪力墙。因短肢剪力墙的配筋要求比普通剪力墙要严格许多，因此，明确的区分剪力墙形式，可以避免很多不必要的浪费。

剪力墙中的连梁用以连接相临的墙肢，设计时允许开裂，可做刚度折减。连梁高度过高时，刚度大，分配的内力大，平均剪应力也大，可能引起连梁本身超筋超限，还可能造成相连的剪力墙抗剪水平筋过大，墙肢剪跨比小，连梁和墙肢的延性差。因此，在刚度满足的情况下，连梁高度不宜过大，可以获得较好的承载力和延性。对于设计中常遇到的连梁超筋超限问题，多数是抗剪截面超限，即平均剪应力不能满足规范要求，在高烈度区抗震设计时尤其明显。根据参考文献[2]，可以有如下一些处理方法：①对连梁调幅处理，进行刚度折减，一般情况下，连梁刚度折减系数，8度区不宜小于0.5，7度区不宜小于0.8。②增大跨高比，最常用的措施是减小连梁高度，目的也是减小连梁刚度和内力。③设置双连梁，将高度为h的梁通过设置水平缝，变成两根高度为h//2的梁，梁端单位转角引起的弯矩和剪力变为1/4，连梁的内力迅速减小，但连梁的抗剪承载力基本不变。④接铰接处理。在进行了上述调整后，若仍有部分不符合承载力要求时，可取连梁截面的最大剪压比限值确定剪力，然后按“强剪弱弯”的要求，配置相应的纵向钢筋。

3 剪力墙结构用钢量统计

通过以上所述优化措施，剪力墙结构的设计可以完全满足规范要求，符合结构的受力特性，同时达到很好的经济效益，下表是剪力墙结构含钢量的一个优化目标值，供设计人员及甲方工作人员参考。

注：①上表不包括基础部分的钢筋用量。

②对于形状比较规则的剪力墙结构，含钢量完全可能突破此目标值，取得更好的经济效益。

4 结束语

综上所述，剪力墙结构的优化设计，应根据剪力墙结构的特点，采用合理的布置形式，调整和控制剪力墙结构体系刚度，改善剪力墙的抗震性能。同时在具体的配筋方面，合理的运用规范要求和计算结果，对特殊位置出现的钢筋超配问题进行有针对性的处理，在保证整个结构安全可靠的条件下，节省不必要的投资，取得良好的经济效益。

参考文献

[1]高立人，方鄂华，钱稼茹.高层建筑结构概念设计.中国计划出版社，2005.

[2]朱炳寅.建筑结构设计问答及分析.中国建筑工业出版社，2009.

[3]李国胜.多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算例.中国建筑工业出版社，2004.

[4]王全凤.高层建筑结构优化、动力和稳定的实用计算.福建科学技术出版社，2002.