钢筋混凝土剪力墙结构的优化设计分析

周军文，白海霞，吴晓枫，何漪，高逸

（1.常州市建设工程结构与材料性能研究重点实验室（常州工学院），江苏常州213002；2.荆州市路远市政工程有限公司，湖北荆州434020；3.常州常工院建筑设计研究所，江苏 常州 213002）

钢筋混凝土剪力墙结构的优化设计分析

周军文1，白海霞2，吴晓枫1，何漪3，高逸1

（1.常州市建设工程结构与材料性能研究重点实验室（常州工学院），江苏常州213002；2.荆州市路远市政工程有限公司，湖北荆州434020；3.常州常工院建筑设计研究所，江苏 常州 213002）

剪力墙结构是一种重要的结构形式，其优化设计涉及建筑和结构两大主要部分，伴随整个设计过程。建筑方案的合理、规则，结构构件的恰当布置，构件尺寸的合理选用，扎实的理论知识以及对相关规范的熟悉，是结构优化设计的关键因素。

剪力墙结构；钢筋混凝土；建筑；优化设计

1 引言

剪力墙结构是指由墙体承担全部的水平荷载和竖向荷载的结构体系，一般用于钢筋混凝土结构中。现浇钢筋混凝土剪力墙结构适用于住宅、酒店、医院病房等平面墙体布置较多的建筑，这类建筑的共同特点是房间的开间较小，墙体较多，房间面积小，而且房间内没有外露的梁、柱棱角，整体性较好，比较美观，非常适合住宅建筑的功能要求，因此深受广大业主和建筑设计人员的青睐。随着人们欣赏水平的不断提高，人们不再把建筑当作仅有住宿功能的实体结构来满足物质上的需求，而是越来越多地追求精神层面的东西。不但要求建筑具有更多的使用功能，而且还把建筑当做一种艺术品来欣赏。因此，对住宅建筑提出了更多、更高的要求，相应的建筑方案变得更加丰富多彩，空中花园、大转角飘窗、隔层露台以及立面跳跃式的伸出缩进等方案已屡见不鲜，这些都给结构工程师提出了新要求，即在既满足建筑功能和美观要求，又要保证结构安全的前提下，做到结构合理，经济指标优良，这些都成了结构工程师当下不得不考虑的难题。

2 建筑方案优化设计

建筑方案设计是优化设计的第一步，也是关键阶段，好的方案直接决定了整个建筑的总成本。一些建筑设计人员为了追求立面的立体效果，在立面处理中采用大的凸出和收进，特别是阶梯型的凸出。由于不能采用大的悬挑来承担竖向荷载，因此结构上只能布置剪力墙来承担竖向荷载，使得剪力墙的间距过密、过多。这种原本2～3个开间布置一道剪力墙，墙与墙之间采用框架梁连接就能满足计算要求的结构方案，因为为了满足建筑立面效果的要求，不得不在每个开间都布置剪力墙，因此增加了剪力墙的用量，相应的总成本也会提高。图1为1栋7度区13层的剪力墙结构住宅，由于立面上从两端往中间呈现阶梯型，所以每个开间的端部都需布置剪力墙。

现在的一些业主和建筑设计人员为了充分考虑地形的要求，或者利用最大化，往往将建筑的长宽比设计过大，结果使得结构刚度偏弱，相对于较小长宽比的建筑，单位面积上的剪力墙数量就会增大。而且不论其是否超长，由于两主轴方向的动力特性（也即整体刚度）相差甚远，在水平力作用下，两向构件受力的不均匀性造成配筋不均匀。对于平面长柔的建筑，其抗扭能力也降低，因此，为了满足规范计算要求，也必要增加剪力墙的数量。

图1 剪力墙结构平面布置图

3 结构总体优化设计

钢筋混凝土剪力墙结构的剪力墙布置是结构方案设计的关键内容，也是结构优化设计的主要内容，直接关系到整个结构的总体造价。在方案阶段，剪力墙的布置主要包括两个方面的内容：一是剪力墙的位置；二是剪力墙的数量。剪力墙的位置直接影响到整个结构的扭转情况，而结构的抗扭承载力与结构的抗剪承载力之间是相互影响的，扭矩大则抗剪承载力小，反之则相反[1]。为了减少结构扭转对结构的不利影响，在剪力墙布置时，必须按照均匀、分散、周边及对称的原则。A级高度的剪力墙结构在满足第一扭转周期与第一平动周期之比小于0.9的条件下[2,3]，尽量减少比值，也就减少了扭转对结构的不利影响，这样可以使得整体结构的抗剪承载力比较高，即抵抗水平地震作用的能力较高。

剪力墙的数量决定了整体结构的抗侧移刚度，我国规范采用层间位移角来反映结构的抗侧移刚度的大小。剪力墙的数量多，则结构的整体抗侧移刚度大，对结构抗震利，但是对结构的成本控制不利。由于结构的刚度大，结构的基本周期就变短，目前高层建筑的自振周期都在Tg～6s之间，此区段，结构的地震作用影响系数随结构的周期的增大而变小，即周期短，地震作用影响系数就大，地震作用也大，但不成比例关系。所以剪力墙的数量，在满足层间位移角限值以及其他规范要求的前提条件下，不宜多加，一般稍小于1/1000即可，因为除了剪力墙数量的增加本身而引起的配筋量的增加外，增加的地震作用则需要更多的钢筋来抵抗，自然就会增加整体结构的成本。

4 细部结构的优化设计

4.1 连梁的设计

连梁是指跨高比小于5的强平面内的梁，其对竖向荷载作用不敏感，对水平荷载作用十分敏感，作为墙平面内墙体与墙体的连接构件，其截面尺寸的大小不仅对本身，而对与之相连的墙肢的受力都有极大的影响，从而直接影响到结构的用钢量。高连梁由于其刚度大，与其相连的墙肢的配筋相应会增加较多，随即带来整个结构的配筋量增加。如图2所示，某7度区剪力墙结构底层角部剪力墙部分的计算配筋，底层层高3.5m，窗洞尺寸为1 500mm×1 800mm，采用700mm和1700mm两种高度的连梁尺寸来比较剪力墙墙体的用钢量，仅考虑墙肢受力钢筋和分布钢筋的用钢量，计算结果表明，700mm高连梁的墙体总用钢量比1700mm高连梁的用钢量少0.004m3，如果加上因为连梁截面尺寸增加而增加的配筋量，总体用钢量将增加更多。因此，设计时，尽量使连梁的跨高比接近规范规定的要求，以减小墙肢的刚度。对于门窗顶至上层楼面结构的结构标高相差较大，宜采用洞口顶加过梁的布置方式，过梁与连梁间的洞口可用砌体填充封堵。这样既减小了连梁以及和连梁相连墙肢的配筋，又有很好的耗能能力。

图2 剪力墙计算配筋图

4.2 墙肢的形状及尺寸

剪力墙的形状和尺寸对整个结构钢筋用量很大的影响。首先避免使用短肢剪力墙，因为短肢剪力墙抗震等级要提高一级，其纵筋的配筋量和配箍率都是按照约束边缘构件来计算，其实际的配筋量很大。同样，“一”字型抗震墙也尽量避免，这类墙体由于截面有效高度小，平面外的刚度小，不利于抗弯和抗裂验算，其配筋量一般都较大。

4.3 约束边缘构件阴影部分的长度考虑

在设计约束边缘构件时，其约束构件的范围lC和沿着约束边缘构件主肢的阴影部分长度ls一般不相等，两者之间都有一定的差值l，如图3所示，根据具体的情况，其差值l或大或小，由于阴影部分是核心部分，配筋要求较高。其纵筋配筋率和体积配箍率都明显大于非阴影部分，所以在配筋时，需根据实际的lS长度来配置纵筋和箍筋，不能人为地增加lS的长度与lC平齐，否则会增加墙肢钢筋的用量。

图3 剪力墙墙肢边缘构件示意图

4.4 墙肢的分布配筋

剪力墙在轴向力和弯矩共同作用下，一般分为偏心受压和大偏心受拉两类情况。根据截面受压区的高度不同，偏心受压又分为大偏心受压和小偏心受压，对于大偏心受压情况，根据平截面假定，计算配筋时，假定在1.5倍混凝土受压高度范围以外的受拉竖向分布钢筋达到屈服极限并参与受力，在1.5倍混凝土受压高度范围内的钢筋未达到屈服极限或受压，均不参与受力计算。对于小偏心受压剪力墙，在计算过程中，均不考虑竖向分布钢筋的作用。而对于大偏心受拉情况，计算时也没有考虑1.5倍混凝土受压高度范围内竖向分布钢筋的作用。目前我国常用结构设计软件PKPM中也没有考虑竖向分布钢筋的影响，其竖向钢筋的表达方式如图4所示。而且竖向分布钢筋水平方向仅靠稀少的拉筋连接，在竖向荷载作用下，并不能保证分布钢筋受压屈服。因此，综合上述分析，目前我国的剪力墙结构在设计时，由于没有考虑部分或全部竖向分布钢筋的作用，是偏安全的，故在对剪力墙结构进行配近时，除了满足计算要求和规范规定的‘竖向分布钢筋的配筋率在一、二、三级抗震时不应小于0.25%，四级和非抗震设计时不应小于0.2%要求外，一般不用放大墙体的分布钢筋配筋量。

图4 剪力墙计算配筋图

4.4 墙肢边缘构件配筋

剪力墙边缘构件的配筋情况是关系到用钢量的一个重要因素，其中箍筋（或拉筋）的用钢量对边缘构件用钢量的贡献很大，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2010) 7.2.15.1条的规定，可计入箍筋、拉筋以及符合构造要求的水平分布钢筋，计入的水平分布钢筋的体积配筋率不应大于总体积配箍率的30%，这一点往往会被部分结构设计人员所忽略，因此造成边缘构件箍筋的浪费。

5 结语

剪力墙结构的优化设计是一个复杂的过程，在方案设计阶段，建筑专业需要做好建筑的布局，平面规则，长宽比合适，立面平齐，其突出的立面效果可以通过悬挑的方式来实现，结构工程师则需要合理布置剪力墙，使得整个结构的质心和重心重合，熟悉相关的结构设计规范，在满足安全的前提下，尽量减少钢筋的用量，这样才能达到结构优化设计的目的。

【1】包世华.新编高层建筑结构（第三版）[M].北京:水利水电出版社, 2013.

【2】GB 50011—2010建筑抗震设计规范[S].

【3】JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].

AnalysisonOptimalDesignofReinforcedConcreteShearwallStructure

ZHOU Jun-wen1，BAIHai-xia2,WUXiao-feng1，HEYi3，GAOYi1
(1.Changzhou Key Lab of Construction Engineering Structureand Material Properties，Changzhou Institute of Technology，Changzhou 213002,China；2.Jingzhou Luyuan Municipal Engineering Co.Ltd.,Jingzhou 434020,China；3.Architecture Design Department of Changzhou InstituteofTechnology,Changzhou213002,China)

The shearwall structure is a kind of important structure form,the optimal design involves the two main parts of building and structure,along with the entire design process.Reasonable and regular building scheme,the proper arrangement of structure components, solid theoreticalknow ledgeand fam iliarwith relatedspecifications,arekey factorofstructureoptimaldesign.

shearwallStructure；reinforced concrete；architecture；optimaldesign

TU398+.2

A

1007-9467（2016）08-0045-03

10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.006

2016-01-03

建设部科技项目（2014-K2-014）；江苏省高校自然科学基金项目（13KJD560001）；江苏省大学生创新创业项目（201511055026Y）

周军文（1974～），男，湖北孝昌人，副教授，从事混凝土结构研究，（电子信箱）junw enzhou@126.com。