高层住宅剪力墙结构优化探讨

周春雷

（郑州市建筑设计院， 河南 郑州 450052）

高层住宅剪力墙结构优化探讨

周春雷

（郑州市建筑设计院， 河南 郑州 450052）

剪力墙结构具有整体性好，抗侧刚度大，水平荷载作用下侧移小，承载力容易满足，墙面平整等优点被普遍应用。本文主要从剪力墙布置的位置，剪力墙墙肢长度，连梁等这几方面对高层住宅剪力墙结构优化的概念设计进行探讨，从而给高层建筑的优化做出一些理论上的指导。

剪力墙；连梁；结构优化

1 引言

随着金融经济和科学技术的快速发展与增进，我国人口数量增加之飞速，为了节约耕地，高层建筑特别是高层住宅受到了大范围的应用与推广，它的发展在近些几年也是相当飞速，结构体系也日益多样化。高层建筑有利于节省和集约化的利用土地资源，解决城市房屋紧张，减少市政基础设施和美化城市空间环境，换句话说，高层建筑的发展开创了整个建筑业的新纪元[1]。

高层居住建筑（包括住宅、公寓、饭店）通常要求在合理的占地范围内争取更多的建筑使用面积，尤其是很多发展中及发达城市按规划要求约束总高度的情况下，层数较低而净空可争取高一些，而采用现浇剪力墙结构有显著的优越性，可以做到房间内不露梁柱，简洁明快，承重墙与分隔墙结合，有效使用空间大，隔音效果好。

剪力墙结构具有整体性能好，抗侧刚度大，水平荷载作用下侧移小，承载力容易满足，墙面平整等优点，所以近几年在非地震区和地震区的高层住宅建筑中得到了普遍的应用。

日前工程实践中设计师的实践经验决定着大部分剪力墙结构的布置。一个要特别引起我们注意的现象是，出于对结构的安全以及设计的进度等多方面实际的考虑，设计师对剪力墙结构的设计采取相对安全的结构布置方案，一定会在某种些方面上存在结构的不合理性和不经济性。然而对剪力墙结构的布置与设计进行相应的优化分析是十分必要。

2 结构优化设计的发展历史

结构设计过程中必然地会产生优化的想法，从二十世纪初就努力地做过一些优化结构设计的工作，然而当时力学和水平有限而收效不明显，更重要的因素是没有前卫的科技支持来解决计算工作量大的问题。发展到六十年代，广泛地应用电子计算机，优化工作才开始有所明显进展，且在结构设计实践中应用更加广泛。

什么叫设计优化方法，就是将设计限制全部作为约束条件通过设计变量或性能变量的一组不等式表示出来，将最能反映出主要设计要求的量作为目标函数（即设计变量的函数），用数学手段求出全部约束条件使目标函数为最小的设计变量的一种设计方法；也可以认为是在各种规范满足下或特定要求的某些条件下，研究出结构设计优化中遇到问题的解决方法。并能保证结构正常工作的强度、刚度和稳定的要求[3]。

3 高层住宅剪力墙结构优化的关键问题

针对高层建筑剪力墙结构形式优化研究的核心在于：

1）经过对原结构形式的动力特性、变形情况、内力特性、构造措施等因素通过全方位的考查基础上，优化构件的分布位置、混凝土强度等级、剪力墙墙肢长度、墙截面厚度以及连梁的刚度，并对结构优化前后的相关性能进行对比，从而对结构形式优化后比较得出此建筑最终结构方案。

2）研究比较通过上述结构优化前后的性能，分析总结出控制剪力墙结构经济合理方案的因素。

3.1 合理的剪力墙长度对结构的影响

通过建立三种不同墙肢长度的结构对比模型（前提是剪力墙布置的位置一致）：未开洞剪力墙墙肢 H1、开洞剪力墙墙肢 H2、去除洞口将两片墙进行合并后的剪力墙墙肢H3。将三种模型的计算结果进行对比分析可得：随着墙肢长度由H1至H2至H3，在混凝土强度等级，墙厚等都相同的情况下，结构周期和周期比在下降，最大层间位移角也在下降，Y方向的最大层间位移角比X向最大层间位移角下降明显。

此种因素影响下的结论就是墙肢的长度越长，其抗侧刚度越优，抵抗扭转性能更好，开有洞口的剪力墙的抗侧刚度低于没有开洞的墙肢的抗侧刚度，高于去除洞口将两片墙合并情况的抗侧刚度。

在能够保证垂直和竖向承重的前提下，要仔细选择对承受水平和竖向荷载有利的位置布置分隔剪力墙，尽量将剪力墙布置的间距拉大，避免在相对较小的间距内布置多道剪力墙。一般可以通过延长剪力墙墙肢的长度，减少剪力墙的数量，从而使结构整体抗侧刚度增加，边缘构件的数量减少，由于墙间距离拉大。从而增加了建筑平面布置的灵活性。

但要注意，在一个结构单元中，布置剪力墙时应该尽量避免使个别墙肢成为长墙。如果个别墙肢较长而其他墙肢较短时，长墙墙肢承担的总地震力的比例比较大 当该道剪力墙在超过设防地震的作用下首先发生破坏时，其余的结构不能起到第二道抗震防线的作用，则可能会导致整体结构因个别长墙的破坏而发生连续倒塌。

3.2 连梁的刚度对结构的影响

以刚度大强度高为优点的剪力墙结构被普遍应用在高层建筑中，在小震作用下具有较大的刚度，在大震作用下以连系梁的首先屈服来降低结构的刚度，从而达到降低地震作用的目的。它很好的满足了我国新的抗震设计规范所规定的“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设计原则[4]。

连梁刚度的合理判断及配筋设计对结构的影响不能忽视，首先连梁应与剪力墙取相同的抗震等级，为了实现连梁的强剪弱弯、推迟剪切破坏，提高延性，应当采用实际抗弯钢筋反算设计剪力的方法；但是为了程序计算方便，对于一、二、三级抗震采用了组合剪力乘以增大系数的方法确定连梁的剪力设计值，对于 9度一级抗震等级的连梁，设计时要求用连梁实际抗弯配筋反算增大系数[2]。

因此对于高层建筑结构来说，连梁的合理设计，实现强剪弱弯非常的重要。一般连梁的跨高比都较小，容易出现剪切斜裂缝，为了防止斜裂缝出现后的脆性破坏，除了减小其名义剪应力，并加大其箍筋配置，腰筋配置等。当洞口较小，在整体计算中不考虑其影响时，应将切断的分布钢筋集中在洞口边缘补足，以保证剪力墙截面的承载力。

随着高层建筑的的飞速发展，剪力墙成为高层建筑结构的一种重要形式，大量的工程结构广泛在运用。就目前来讲我们对于剪力墙的优化布置大多还停留在工程师的经验上，全面详细的剪力墙优化布置原则和方法还没有。规范中也没有详细介绍剪力墙的优化布置。这方面的理论缺陷在今后的实践和研究中逐步完善。

[1]贺海斌. 高层建筑剪力墙结构中剪力墙合理数量的研究[D].湖南：湖南大学.2009.

[2]中国建筑科学研究院.高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社,2011.

[3]张华锋.浅谈高层住宅剪力墙结构设计[J].北京：建筑结构,2009(11).

[4]中国建筑科学研究院.建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2010.

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1007-6344（2017）09-0275-01

周春雷（1985-)，男，郑州市建筑设计院，主要从事建筑结构设计。