浅谈高层剪力墙住宅结构优化设计

肖　雷（安徽省城乡规划设计研究院，安徽　合肥　230022）



浅谈高层剪力墙住宅结构优化设计

肖雷（安徽省城乡规划设计研究院，安徽合肥230022）

剪力墙结构在高层建筑中能够很好的维持建筑本身的稳定性，且增强了建筑物的抗震能力，是设计高层建筑至关重要的组成部分。本文详细分析了高层剪力墙结构的设计原则和结构布置，并通过一个实际的案例提出了相对应的剪力墙结构优化方法。

剪力墙；优化设计；结构布置；设计原则；实际案例

1　引言

为满足经济和科技等各方面的不断发展和人们生活水平提高而对土地的大量需求，我国对住宅产业政策和土地政策进行了相应的调整，促进了房地产市场的高空化发展，使得高层高容的住宅小区层出不穷。房地产开发商需要对成本进行控制，各种高层剪力墙结构中最经济实惠的则是钢筋混凝土剪力墙。在保证建筑安全和功能完备的前提下，为了能将有限的资源实现最优配置，结构工程师需要面对巨大的挑战，这也是结构工程师关注的焦点。

2　剪力墙结构设计原则

传统的剪力墙结构设计原则主要具有三点：①经济合理的结构总造价；②达标的抗震抗风能力，以及能够充分抵抗水平荷载；③结构设计合理，能够使材料的力学性能得到充分发挥。本文在以上三点原则的基础上，对剪力墙结构设计进行了优化，如下：

（1）剪力墙的数量合理，刚度适宜。主要取决于两个因素：①控制地震力，这是为了避免在发生结构顶点位移时，偏小的地震力计算值会造成与构造配筋要求匹配的假象；②剪力墙控制结构水平位移的值是有限的。

（2）为了减少短、小肢墙的数量，而尽可能多的使用普通的剪力墙。高层剪力墙结构的侧移刚度是由它的侧向刚度所决定的，为了加长墙肢长度而将两端与翼墙相连在一起，这样能够减少短、小肢墙的数量。

（3）对墙肢长度的差异进行控制。减小墙肢在长度方面的差异，使得地震作用力能够在各片剪力墙中均匀分配，充分发挥各片剪力墙的作用，使结构刚度均匀，避免墙肢超筋，有效抵抗侧向荷载，所有钢筋能够在整个结构中得到充分的使用。

（4）合并水平分布钢筋和短肢墙中的箍筋。所占范围较大的约束边缘构件是由截面高度较小的短肢剪力墙造成的，在合理范围内设置拉筋和箍筋，会造成箍筋和水平钢筋的重叠，从而浪费了材料，所以需要对拉筋和箍筋的数量进行合理的设置，合并水平分布钢筋和箍筋。

（5）在对剪力墙的开洞时需要采取适当的处理方法。门窗洞是高层剪力墙结构中的必要且基本的部分，除此之外，还需要对结构洞通过方案调整和结构布置来进行设置。为了能够将剪力墙的作用充分发挥，需要通过合理的设置长墙来降低结构洞的个数；而为了剪力墙结构能够合理受力，应尽量设置长度均匀的墙肢，这样使得地震作用力可以均匀的作用在每片剪力墙上。

3　结构布置

3.1剪力墙布置

在标准的高层住宅建筑中，剪力墙部位不同单位面积也具有不同的含钢量，例如边缘构件用钢量所占单位面积在总用钢量的30～50%之间、墙身用钢量所占比例大约是45～65%之间，由此可知所布置的剪力墙的质量对整个结构的经济指标具有很大的影响。布置剪力墙的原则：减少墙肢布置中的边缘构件和剪力墙的数量，这样使抗侧力构件的布置数量减少，但同时获得的抗扭刚度和抗侧刚度能够满足规范要求。具体措施为：

3.1.1弱中部，强周边

在建筑结构周边的外围处增加对剪力墙的布置，而为了加强刚度，在对高连梁进行设置时可以使用房间的窗台。在建筑结构的中间部位，为了抗扭刚度在主体结构中增加，可以适当减少布置剪力墙；为了增强建筑外墙防水效果，可以控制结构的位移比例和周期比例。

3.1.2减少短墙，增加等长长墙

在确保水平和垂直两个方向的承重前提下，设置剪力墙时，需要选择对结构的垂直和水平荷载承受有利的隔墙位置，而将剪力墙之间的布置距离增大，是为了以防将多个剪力墙布置在小距离间。为了减少边缘构件数目，加大结构整体方面的抗侧刚度，需要控制剪力墙的个数，拉大其墙肢长度；且建筑平面的布置增加了灵活性是由于拉大了墙间距所实现的。

3.1.3减少复杂墙肢，增加简易墙肢

小墙垛布置和剪力墙的连续转折会增加边缘构件，所以需要在布置剪力墙时对这两方面进行考虑，除了必须在因墙体转折位置上布置的暗柱，应尽量避免对其他暗柱的布置。

3.1.4少半框，多连续

通过框架梁和连梁将结构方向不同的剪力墙尽量连成整体，这样可以形成的抗震、抗风结构能够贯穿整个结构长度或宽度，会避免出现半框架和独立的墙肢，能够有效地增加剪力墙结构的抗侧刚度。

3.1.5沿高度均匀变化

剪力墙厚度应均匀变化，且受到结构高度变化的影响，不宜仅在高层底部设置剪力墙，所以为了使得高层建筑能够适应垂直方向和净面积的承重要求，需要在底部大量布置厚度为20cm的剪力墙，而如果为了降低成本而在上部减少布置剪力墙的数量，这样会增大层刚度的变化，既不利于抗震也不会达到经济的效果；在底部设置厚度和数量合理的剪力墙，不仅使得底部大层高的要求得到满足，还能够避免为了确保墙体稳定而对墙厚增加的情况。

3.1.6各墙肢轴压比尽量相等

考虑到垂直方向的荷载情况，剪力墙的墙肢轴压比应该尽量无限接近其对应剪力墙结构的抗震等级轴压比的限制值，这样可以避免了对各墙肢轴向变形差的调整而导致的配筋困难、增加梁配筋数量的情况，减少了剪力墙结构自重和布置数目，使得每个剪力墙都能够充分发挥在垂直方向的承载作用，避免了垂直方向的力因为梁构件出现塑性而发生重分布的情况，保障了剪力墙结构的安全性。

3.2梁板布置

在布置楼层梁的时候，需要确保楼层梁具有简单明确的传力路径，这样就可以对多次传力、多重次梁的情况进行避免。梁的经济跨度需要控制在3～5m之内；如果对连接一字形墙和刚度没有要求，则不需要设置高连梁，这是由于梁高与混凝土用量是成正比的状态，高连梁会使得构造配筋的数量增多。如果对刚度没有要求，不需要设置厚度在350～400mm内的厚剪力墙，这样能够对混凝土用量和梁构造配筋量有所减少，可以省下空间来使得其他建筑功能的要求得到满足。3.6m以内的较小跨度板上需要开洞口或设置隔墙的时候，洞口边缘和隔墙位置处不能够设置梁，但是可以将加强筋设置在板内，以此来避免设置梁而发生的受力复杂情况，以及设置梁造成的构造配筋导致的用钢量增加情况的发生。

如果在结构角部需要对转角窗进行设置，则将窗台宽度相同的端柱设置在窗端，楼板的上下窗之间的高度可以设置为转角梁的高度，对上下方位的窗台板进行加厚处理，这样就可以使得端柱和ㄈ字梁形成抗侧力结构，这个结构能够传递剪力和弯矩，大大改善了结构的抗震性。

4　实例分析

4.1工程概况

本文实例是地上是四十六层、地下是两层的建筑，总体高度达到了144.2m，如图1所示为标准层的结构平面图。此建筑结构具有Ⅶ度的抗震设防烈度，50年的使用年限，地震分组为第三组，0.1g为设置的基本地震加速度，将抗震设防类别设置为丙类，场地类别为Ⅱ类；设置具有抗震等级为一级的剪力墙，基本风压力为0.35kN/m2，结构安全等级为二级，地面粗糙度为B类。内部剪力墙厚度参数设置为：20层以下是35cm，30cm；20～34层是25cm，20cm；34层以上是20cm。外围剪力墙厚度参数设置为：20层以下是 40cm，20～34层是30cm，34层以上是25cm。墙和柱的凝土强度等级参数设置：8层以下是C60，8～22层是C50，22～33层是C40，33层以上是C30。板和梁的凝土强度等级参数设置为C30。HRB335级钢筋用在墙和柱的主筋上，HRB400级钢筋用在板和梁上，HPB235级钢筋用在分布筋上，HRB335级钢筋用在箍筋上。按照相应规范对使用荷载进行取值，加气混凝土砌块用在隔墙部位。本文所选取的建筑是超限高层的B级高度建筑，施工前专项审查其超限高层的指标均符合规范要求。

4.2经济指标

本工程按照4.1节的参数设置进行剪力墙设计，其中钢筋的用量如表1所示，混凝土的用量是0.36m3/m2。由此可以看出，本工程的用钢量指标和混凝土用量指标因为经济而可以得到业主的认可。

4.3经济分析

本工程中的各部位钢筋用量在总用钢量中的比例为：非加强区：墙身为0.205，板为0.162，暗柱为0.327，梁为0.306，合计为0.532。加强区：墙身为0.182，板为0.115，暗柱为0.485，梁为0.218，合计为0.667。

图1　标准层的结构平面

表1　钢筋用量（单位：kg/m2）

由以上数据可知，高层剪力墙结构中的具有较高份额的钢筋用量，主要是以暗柱钢筋用量为主，所以在对剪力墙设计过程中，需要尽量减少暗柱的设置数量，且由于用钢量的敏感性而不能随意增加配筋量。

5　结束语

高层剪力墙结构优化需要按照相应的原则，不能盲目设计，需要充分发挥材料的性能，尽量设计节约资源的方案。对结构中的重点部位需要按照实际情况达到精准的计算分析，并对矛盾分歧与业主进行沟通，达到安全、经济和高质量的要求，实现结构优化的目标。

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肖 雷（1971-），女，高级工程师，大专，主要从事结构设计工作。

TU973+.16

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2095-2066（2016）11-0139-02

2016-3-8