浅谈高层建筑剪力墙结构优化设计

林小杨

中元（厦门）工程设计研究院有限公司（361000）

浅谈高层建筑剪力墙结构优化设计

林小杨

中元（厦门）工程设计研究院有限公司（361000）

通过结合某高层建筑住宅工程实例，主要分析在符合各项技术要求的条件下如何进行高层建筑剪力墙的结构优化设计。

高层剪力墙;结构优化设计；工程剪力墙

0 前言

随着社会经济的快速发展，城市的土地越来越紧张，城市的高层和超高层建筑成为未来住宅建筑的主流。剪力墙结构整体性好，刚度大，在水平荷载下侧向变形小，同时能满足建筑功能布局要求。该体系越来越广泛的运用于各种建筑中，这里对剪力墙结构进行合理优化设计，以满足安全、经济、合理的要求。

1 工程概况

某高层住宅楼共37层，底层层高3.6 m,标准层层高3.0 m,建筑总高度为111.6 m，建筑面积为14 800 m2。采用混凝土剪力墙结构，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15 g,设计地震分组为第二组，建筑场地类别为II类，场地的特征周期Tg=0.40 s。因主体建筑高度大于100 m,故计算采用场地安评报告结果，调整为水平地震影响系数amax=0.13,设计特征周期Tg=0.45 s。建筑剪力墙抗震等级为二级，结构安全等级为二级，设计使用年限为50年。场地基本风压0.8 kN/m2，地面粗糙为B类，风荷载体系系数为1.4。

2 高层剪力墙结构设计计算原则

2.1 多使用一般剪力墙

在优化高层剪力墙结构时，要尽可能使用普通剪力墙，降低短肢剪力墙和小墙肢的数量，设计中应体现其结构竖向和水平向具有合理的刚度及承载力的分布，尽可能的保证一肢剪力墙的墙肢截面高度比规范要求的8倍墙厚稍大,符合一般剪力墙,剪力墙尽量根据建筑平面使用功能要求布置成“L”型、“T”型剪力墙，有利于剪力墙结构的稳定性，同时能够形成较好的侧向刚度。

2.2 剪力墙的数量和刚度要合理

剪力墙是抗震设防的第一道防线，剪力墙刚度的大小是整个建筑物整体抗震的关键，适宜的刚度能保证在地震来临时，保持整体稳定性，抵抗地震水平力作用，避免过大的水平位移和振动。因此，我们应该控制结构的剪重比,尽量减少剪力墙的布置，以大开间剪力墙布置为目标，使结构有适宜的侧向刚度,使楼层的最小剪力系数接近或不小于规范值。这样能减轻结构自重,有效减少地震作用的输入，同时降低工程造价。若剪重比已经较大，不宜一味的增加一侧的竖向刚度去满足层间位移要求，也要学会减小对应一侧的结构刚度。地震作用减小，同样可以达到较好的效果。

2.3 对墙肢长度的差异性进行控制

在剪力墙结构中，剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置，应避免单向布置剪力墙，并宜使两个受力方向的抗侧刚度接近，刚度分布均匀，以使其具有较好的整体协调受力能力。在建筑布置方案时介入，要尽可能保证墙肢长度的一致性，避免过长或过短剪力墙，采用均匀分布的小片墙肢，同时墙肢应尽量对齐，使传力途径简洁明了，受力均匀分布，从而使地震作用被剪力墙平均分配。

2.4 对剪力墙的开洞进行的处理

在高层住宅的剪力墙结构中，除了根据建筑功能设置门窗洞外,还需要根据实际的方案和结构，对结构洞进行调整。剪力墙整片不宜做太长，应进行开洞采用弱连梁进行连接,太长剪力墙刚度太大，吸收地震力大，若此墙体损坏了，对整体抗震性能影响太大，破坏力大。应分散布置墙体，保证各片剪力墙可以均匀分配地震作用,同时控制各墙肢轴压比，使各墙肢轴压比在竖向荷载作用下尽量靠近相应结构抗震等级轴压比限值，通过调整洞口的大小和连梁的高度来调整连梁配筋量，避免出现连梁超筋导致配筋困难。

3 实际工程剪力墙结构设计的优化

3.1 布置结构的具体方案

在剪力墙结构设计时，我们需要先进行一些必要的试算、对比，才能在实际的工作中更好地进行优化，按照国家各项设计规范的要求来考虑这样的结构是否合理，同时提高自己的设计水平，减少不必要的设计浪费，满足开发商的经济指标要求。原标准层结构布置平面如图1，墙肢除底层墙厚为300 mm，其余底部加强区墙厚为250 mm，以上为200 mm。经过试算发现整体结构偏刚，剪力墙数量偏多，且部分建筑功能使用不太合理，例如南面建筑底层为大堂层，开间越大越美观。故对整体结构的布置及墙肢进行了调整，如图2。

图1 优化前结构平面布置

图2 优化后结构平面布置

3.2 设计结构的指标对比分析

本工程使用PKPM系列软件的SATWE计算，分析了两种结构设计方案，对主体结构的位移比、剪重比、周期比、位移角、含钢量及混凝土量进行对比，见表1。

从表1结果可以看出，优化前方案的整体刚度较大，层间位移角偏小,由于剪力墙在下侧布置较密集，结构整体刚心偏下，形成扭转。优化后方案结构主轴X、Y向动力性能相近，平面抗扭刚度较好，且尽量将外侧的墙肢加长，取消内部小短肢，对上下对齐剪力墙肢进行加强，使整体刚度更加均匀，受力更合理。对整体刚度位移角和扭转起很大控制作用，且主要控制参数均满足规范相关要求。同时在造价方面,含钢量及混凝土的用量都有较大地减少，节约建筑成本，更加经济合理。

表1 优化前、后两种结构设计方案对比

4 结语

在建筑设计过程中，在考虑建筑使用功能布局更加美观合理的条件下，结构剪力墙应尽量布置在建筑外围，提高整体的抗侧刚度；取消内部零星短肢墙，使结构传力途径更简洁、明确、合理，并有效地节省了投资成本，具有更大市场竞争力。

[1]JGJ 3-2002,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2]方鄂华.高层建筑钢筋混凝土结构概念设计[M].机械工业出版社,2004,9.

[3]GB 50011-2010,建筑抗震设计规范[S].