谈高层剪力墙结构的优化设计

赵伟

摘 要：本文针对剪力墙结构的特点，对剪力墙结构进行概念分析，总结出剪力墙结构的设计要点和结构设计优化的思路，列出了剪力墙结构的一般经济指标。剪力墙结构经过优化设计，可以提升结构设计的品质，降低工程造价，达到技术性和经济性的统一。

关键词：高层剪力墙、剪力墙结构、优化设计

1 引言

随着社会经济的快速发展，我国的建筑行业得到了前所未有的发展。但是，随着城市化进程的不断加快，我国高层建筑的发展速度也越来越快。高层建筑通常采用剪力墙结构，那么如何才能保证高层剪力墙结构在安全的前提下，不断实现高层剪力墙结构的优化设计，并提高其结构设计的经济性已经成为当今社会和建筑行业的热点话题。

2 剪力墙结构的概念及结构能效

剪力墙结构是建筑的主要承载部分，并且还是承担地震、风等传递水平载荷导致的轴力、剪力以及弯矩等结构构件，同时也是建筑的分隔墙和围护墙，所以在布置剪力墙的过程中，应该满足建筑物的结构布局和平面布局，剪力墙结构的开间相对较小，高层建筑的楼层盖板通常选用现浇的混凝土结构平板，这样，其空间结构的利用率更高，能够有效节约建筑的层高。剪力墙结构的整体性和空间作用都非常好，并且具有很强的承载性能和抗侧力性能，因此，许多高层建筑都采用剪力墙结构。

3 剪力墙结构设计计算原则

剪力墙结构设计时，应根据规范要求综合考察结构是否合理，下面是对结构设计中须重点关注的几种技术指标的调整原则的浅析，若有不对之处，请广大同行指正。

3.1 楼层最小剪力系数（剪重比）的调整原则

在满足短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩不超过40%的前提下尽可能少布置剪力墙，以大开间剪力墙布置方案为目标，使结构具有适宜的侧向刚度，使楼层最小剪力系数接近规范限值（不小于限值）。这样能够减轻结构自重，有效减小地震作用的输入，同时降低工程造价。

3.2 楼层层间位移角的调整原则

规范规定多遇地震作用标准值产生的楼层最大的弹性层间位移在计算时，除以弯曲变形为主的高层建筑外，可不扣除结构整体弯曲变形，应计入扭转变形。由此可见，对于一般的高层建筑，重点是楼层间的剪切变形及扭转变形。剪切变形的控制是以竖向构件的多少来决定的，但竖向构件足够多（剪重比偏大）而布置不合理，则会造成扭转变形过大，同样不能满足层间位移的要求。

4 剪力墙结构的优化设计

4.1 工程概况

本文以某高层建筑为例，该高层建筑总共 16 层，还有两层地下室，总建筑面积为 1.075×105m2，地下室主要用于物业办公以及车库，地上首层为商业层，层高为 3.5 m，其余为住宅，层高均为 2.85 m，该高层建筑的建筑类别为丙类。该高层建筑的剪力墙结构的参数表现为：地下层及首层的剪力墙厚度为 250 mm，二层以及二层以上的外墙为 200 mm，内墙为180 mm。原设计方案中，其剪力墙结构在 X 方向的最大层间位移角为 1/2376，Y 方向的最大位移角为1/1623.通过对剪力墙结构进行优化设计之后，剪力墙结构在 X 方向的最大层间位移角降低至 1/1901，Y 方向的最大位移角降低至 1/1417，经过优化设计之后，不但提高了高层剪力墙结构以及整体建筑的稳定性，还节约了大量的梁、板、墙等的钢筋以及混凝土的用量，显著地降低了建筑成本，具有非常好的经济性。具体剪力墙结构如图1。

4.2 高层剪力墙结构的优化设计

4.2.1 高层剪力墙结构方案的设计思路

高层剪力墙结构的设计方案多种多样，在选择高层剪力墙结构方案时，应该选择正确的建筑结构体系以及构件需要的材料。层数低于 20 层时，通常采用短肢剪力墙结构方案。该种结构设计方案的水平地震剪力、周期和位移等都能够被控制在合理的范围内，并采用现浇剪力墙结构，合理地将钢筋混凝土墙置换成砌体或者砖墙，这样不仅能够提高建筑结构的整体刚度，减轻结构的自重，还能够有效降低工程成本。

4.2.2 剪力墙结构墙体配筋的优化设计

剪力墙结构墙体配筋通常要求将竖向钢筋放置在内侧，水平钢筋设置在外侧。由于地下部分墙体配筋相对较多，并且土压力和水压力产生的侧压力相对较大，根据不同的计算模型来分析钢筋放置位置，配筋满足规范建议以及相应工程计算的最小配筋率即可。剪力墙的墙肢截面高度必须比墙厚度8倍稍微大一点，这样才符合一般剪力墙的规格。同时剪力墙设置尽量选择“L、T”形，当一个方向的墙符合一般剪力墙要求时，另一个方向的墙肢不宜过短，较小的墙肢常常会出现较大的配筋，一般宜控制在1m左右，使墙端暗柱配筋接近构造配筋为宜。这种根据高层建筑实际状况的剪力墙结构墙体配筋的优化设计能够显著地降低墙体配筋用量，降低工程成本。

4.3 剪力墙结构连梁的优化设计

《高规》7.1.3条规定：跨高比不小于5的连梁宜按框架梁设计。，也就是说跨高比超过 5的连梁，其刚度不能折减，但跨高比在 5～6 之间的连梁，如果刚度不折减，就很容易出现剪力超限的问题，并且还会造成工程成本的浪费。使连梁跨高比变成超过 6 的框架梁，能够显著降低混凝土以及钢筋的用量，降低工程成本。

4.4 层间位移角和最大位移的优化设计

根据相关的规定，在计算多遇地震作用标准值产生的楼层最大的弹性层间位移时，除了以弯曲变形为主的高层建筑之外，通常不扣除结构整体弯矩变形，并计入扭转变形。因此，对于高层建筑来说，重点应该控制楼层间的扭转变形和剪切变形。通过控制竖向构件的数量能够控制剪切变形因此，在高层建筑中，应该尽可能地降低扭转变形，不能不经过分析就随意增加竖向构件的刚度。

4.5 楼层最小剪力系数的优化设计

在满足短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩小于 40%的条件下，应该尽量减少剪力墙，以大开间剪力墙布置方案为目标，使楼层最小剪力系数接近于规范限制。

5 结束语

总之，当高層剪力墙的设计存在缺陷时，将会严重影响到剪力墙结构和整体建筑结构的安全性、稳定性，因此，建筑单位十分重视高层剪力墙结构的优化设计。通过分析高层建筑的实际状况，并根据相关的规定对高层剪力结构进行优化设计，不仅能够显著地提高高层剪力墙结构和整个建筑的稳定性，还能够显著地降低工程成本，对促进我国建筑行业的快速发展具有非常重要的作用。

参考文献：

[1] 贺海斌，朱学文.高层剪力墙结构中剪力墙抗侧刚度的优化设计研究[J].工程建设与设计，2011（9）：58～61.