议高层剪力墙结构的经济性

杨建忠

(大同市二院建筑设计研究有限责任公司，山西大同 037008)

议高层剪力墙结构的经济性

杨建忠

(大同市二院建筑设计研究有限责任公司，山西大同 037008)

结合工作经验，从结构方案设计，结构分析软件、结构刚度、材料选择、荷载计算五方面，阐述了高层剪力墙结构设计中的注意事项及技术要点，旨在实现结构设计安全适用、经济合理、施工方便的目标。

结构设计，剪力墙，荷载，抗震能力

0 引言

我国进入20世纪90年代以来，经济发展迅速，社会的各个方面均取得了让世界瞩目的成绩，在经济大发展的背景推动下，城市的发展速度也越来越快了，以前在大城市能看到的高层建筑，如今在二三线城市也变得越来越普及，由于土地价格的盘升，一些县级城市也发展了不少高层建筑，其中以用作商品住宅的高层剪力墙结构居多。而这些商品住宅绝大多数都是由一些开发企业所开发，他们都在核算成本，追求利润最大化，同时也给我们结构工程师提出了许多经济指标。于是各地都出现限额设计包括限制混凝土用量、限制钢筋含量，其中以钢筋含量最为敏感。作为一名结构工程师应该与时俱进，不断学习，深入研究，及时了解我们国家及一些国际上先进的做法来降低建筑的成本，而不能盲目地适应市场的需求，随便减少钢筋的用量，减少混凝土的用量，这种做法是在降低建筑的安全度，同时也会给我们带来许多隐患，它的后果是不堪设想的。

作为结构工程师一定要做到概念明确、规范熟悉。在把握规范的情况下提出降低成本的措施才是我们结构工程师的唯一出路。首先应明确几个概念:结构抗震概念设计的目标是结构整体能耗散地震能量，避免结构出现敏感的薄弱部位，多遇地震作用下进行结构计算、构件设计并加以构造措施。抗震结构应简单、规则、对称、均匀，结构在平面上沿两个主轴方向具有足够的刚度和抗震能力，结构的抗震能力则是结构承载力及延性的综合反映，建筑结构是否具有耐震能力，主要取决于结构所能吸收和消耗的地震能量，作为一个结构工程师，首先应根据建筑功能要求、地理环境条件(场地与地域)及所构思的结构总体系，心中应有一个多道防线、刚柔结合的理想刚度目标，还应在第一道防线屈服后有足够大的弹塑性变形能力和延性耗能能力来抵御罕遇大地震。

大家知道我们结构设计的目标是:安全适用、技术先进、经济合理、方便施工。安全是放在第一位，没有安全，经济是无从谈起的，不安全的结构它的成本是最大的，结构工程师是不能够冒险的，是不能够失败的，当然科学家是允许失败的，因为我们做的是人命关天的事，我们要对人民的生命负责，有一定的安全度才能用于实际，才能付诸实施。高层建筑结构设计要做到安全适用、技术先进、经济合理、方便施工，互相之间的关系是相辅相成的，需要我们结构工程师根据每一个工程的实际情况综合分析、比较。下面就我们这几年设计图审上经常遇到的问题谈几点看法。

1 重视结构方案设计

结构方案设计要在建筑方案设计时提前参与，不能在建筑方案确定后再谈结构方案及结构的经济性，这就给结构工程师造成了难度，因为前期方案可能已经带来好多不经济的因素，高层建筑应注重概念设计，要重视结构的选型和平面、立面布置的规则性，加强构选措施，择优选用抗震抗风性能好且结构经济合理的结构体系，概念设计及结构整体性能是决定高层建筑结构抗震、抗风性能的重要因素，结构平面或竖向不规则，一来在现有设计水平和技术上难以保证结构的抗震抗风性能，二来势必要采取措施保证结构的性能，这些措施是需要成本和代价的。一个优秀的结构工程师要有抗震的概念和素质，大家知道从抗震角度来讲我们要求结构简单、规则、对称，这样的结构扭转相对较少，结构受力明确，传力路线简单直接，相对结构构件受力较小，配筋相对较小，经济指标明显好转。这样的结构安全和经济都是有保障的。

要善于优化平面布局，大家知道建筑平面的规则性和结构平面规则性是不同的，一个优秀的结构师能够运用结构手段把不规则的建筑平面优化成规则的结构平面，这些手段在我们高层剪力墙中就是合理布置非承重墙和轻质板条墙，把不规则部分化为规则。

2 正确使用结构分析软件

现代科学技术迅猛发展，逐渐应用到生产和生活中，计算机的技术已经相当普遍，一些老工程师对计算机的不信任也慢慢地消失了，事实上只有借用计算机这样的先进手段才能算得清算得准，才能更合理配置结构构件，才能更有效地降低建筑成本。目前，采用计算机软件进行高层建筑结构分析和设计是相当普遍的，但一些年轻的工程师往往是计算机或结构软件的附庸，人成了计算机的工具，应用软件的默认的设置不加分析不加修改，便开始计算出结果了，这样的工程师是不能设计出更经济更安全的建筑来的，要合理使用软件，正确利用软件我们必须了解软件的应用规则，深入了解软件能做到的和不能做到的，有些人软件算出来的不敢动，主要原因是不了解软件的主要功能，有些功能软件是有缺陷的，是需要我们结构工程师来分析判断的，结构工程师应以力学概念和丰富的的工程经验为基础，从结构整体和局部两个方面对计算结果的合理性进行判断，确认其可靠性后，方可用于工程设计。总之一句话:软件是为人服务的，但人也要了解软件的功能和适用性。

3 高层剪力墙要有合理的结构刚度

在剪力墙结构中，剪力墙是承受竖向荷载、水平荷载和风荷载的主要受力构件，所以剪力墙要有一定的数量，要有一定的刚度来满足现行高层建筑混凝土结构技术规程中在风荷载或多遇地震作用下楼层层间位移角的限值(1/1 000)，但是剪力墙布置的太多，会给结构带来更大的地震力，反而更不经济，这个原理我们从现行抗震规范中地震影响系数的计算公式中可以看出，剪力墙太多则结构刚度就增大，结构自振周期就变小，地震力就变大。这就是说数量既要保证位移角的要求又不能太大导致地震力变大。我们在实际中所做的也就是减少墙的数量，而原建筑中的墙体改用刚度较小轻质板条墙代替，楼板采用大板结构，墙体的布置要尽量使用长墙，减少短肢墙的数量，因为短肢墙的延性不好，要改善它的延性必然要增加配筋率，增加建筑成本。而且短肢墙墙体裂缝较多，这种裂缝后期处理起来较麻烦，我们在实际的设计过程中也出现一种现象就是剪力墙结构中连梁很少甚至没有，这种结构虽然从结构计算上看，剪力墙刚度不大，地震力不大，结构的经济性也很可观，但是我们忽略了一个事实，我们现行抗震规范提倡的结构要有多道防线，用以提高结构的安全度。在剪力墙结构中多道防线是通过连梁来实现的，在剪力墙结构中连梁作为第一道防线，在大地震中是允许破坏的，连梁的破坏吸收了地震力，消耗了能量，剪力墙作为第二道防线继续承受水平地震力。而这种结构光有弱连梁没有强连梁，也就是说它没有耗能构件，没有形成多道防线的结构，降低了结构的赘余度，它的延性是相当差的。也就是说与我们现行规范的设计原则是不相同的，是不值得提倡的。但也不要全为强连梁，因为在大地震下，连梁梁端开裂、出铰乃至退出工作，结构可能因刚度退化太多而抗侧力不足导致破坏、倒塌。一个合理的结构是既有强连梁又有弱连梁，结构的抗侧力刚度适当，承载能力适当，耗能能力适当。在地震作用下，首先是剪力墙之间线刚度相对较小的弱连梁进入耗能状态，大震下，弱连梁逐渐退出工作，仅作为连杆传递水平力，而线刚度较大的强连梁继续耗能，实现“强弱适当，多道防线”，从而使得结构具有较高的延性性能。

连梁在剪力墙结构中扮演重要角色，连梁是剪力墙刚度的调节器，我们明确连梁在地震中是破坏的，所以在计算中要折减连梁的刚度，但是不能折减的太多，以致在小震或风荷载在平时荷载作用下破坏，这一点也是需要明确的。

4 合理选用材料

在剪力墙结构中，材料用得最多的是混凝土和钢筋，混凝土强度不要太低，低强度等级的混凝土是不经济的，但也不要使用太高强度的混凝土，因为高强度混凝土具有脆性性质，且随强度等级的增高而增加，同时高强度混凝土因侧向变形系数过小而使箍筋对它的约束效果受到一定的削弱，所以规范对不同设防烈度，不同结构构件的混凝土强度等级作了上限限值。混凝土强度根据建筑的层数选用C30～C50之间的值。这是墙柱承重构件的混凝土强度，而楼板的混凝土强度等级不要选的太高，因为混凝土强度等级高，水泥用量则大，混凝土硬化过程中水化热大，收缩大，易产生收缩裂缝。

钢筋的经济适用，不是说钢筋的实际价格是多少而是强度价格比也就是说每元钱所购买单位钢筋的强度，强度价格比高则其钢筋的经济性能好，构件的配筋率低，钢筋用量自然就降下来了，方便施工，施工成本降低，现在我们的市场人工费很高，用量少了，钢筋的运输、加工费用就相应降低。尽量选用HRB400级以上的钢筋，不选用HRB335级钢，少选用HPB300级钢筋。

5 准确合理计算荷载

要想设计经济合理的建筑，结构荷载必须输入正确、准确，不无理由的放大钢筋用量，做到心里有数，对我们了解或熟知的部位可以不留任何余量，而对我们不了解的或者说未来运营不是很清楚的地方适当留有余量。

综上所述，要想设计一座经济合理的建筑，必须概念清楚，要有良好抗震素质，在我们的心里要有一个理想的刚度目标，善于运用先进计算软件，选用合理的计算模型来实现，要善于优化布局，选用性价比高的材料。结构工程师必须与时俱进，努力钻研，善于运用新的工艺新的措施来处理结构设计中面临的问题，也就是说创新是结构工程师的唯一出路。

［1］GB 50011—2010，建筑抗震设计规范［S］.

［2］吕西林.高层建筑结构［M］.武汉:武汉理工大学出版社，2008.

［3］张维斌.多层及高层钢筋混凝土结构设计释疑及工程实例［M］.第2版.北京:中国建筑工业出版社，2005.

［4］JGJ 3—2010，高层建筑混凝土结构技术规程［S］.

［5］朱炳寅.建筑结构设计问答及分析［M］.北京:中国建筑工业出版社，2009.

On money-savingness of high-rise shearing wall structure

Yang Jianzhong
(No.2 Architectural Design and Research Institute Co.，Ltd in Datong，Datong 037008，China)

Combining with the work experience，the paper illustrates the precautions and technical points in the structural design for the high-rise shearing walls from the design of the structural scheme，structural analysis software，structural stiffness，materials selection，and loading calculation，so as to realize the structural design can be safe，applicable，economical and reasonable with the convenient construction.

structural design，shearing wall，loading，seismic capacity

TU973

:A

1009-6825(2016)36-0042-02

2016-10-17

杨建忠(1964-)，男，高级工程师，国家一级注册结构工程师