高层住宅结构剪力墙优化设计探讨

翁泽松，焦 柯

（广东省建筑设计研究院 广州510010）

0 前言

近年来，由于房地产市场竞争激烈，开发商对设计单位提出了越来越严格的经济性要求、越来越高的质量要求以及越来越快的出图速度要求。这就要求设计单位在较短的设计周期内，在保证设计质量和结构安全的前提下进行限额设计。据统计，在住宅建筑中，结构成本一般占到建造成本的40%～60%，是房地产项目成本控制的关键。有些开发商甚至将对结构的限额指标写入合同中，作为考核设计水平和成本控制绩效的主要指标之一。因此，结构设计人员应与时俱进，以创新精神进行设计优化，以适应行业发展的需求。

剪力墙结构是高层住宅广泛应用的一种结构形式。本文结合广东省近年来的习惯做法及实际工程优化设计经验，主要对高层住宅剪力墙布置优化和构件设计优化等进行梳理和总结，供进行剪力墙优化设计时参考。

1 剪力墙布置优化

剪力墙结构的刚度很大程度取决于剪力墙的布置方式，确定剪力墙的布置原则是剪力墙结构优化设计的第一步，剪力墙布置的优劣直接影响到整个结构的力学性能及经济指标。本节通过案例分析，提出了剪力墙布置的几点原则：合理选取结构刚度，墙肢对齐布置，强周边、弱中部布置，避免使用短肢剪力墙，优先采用带翼缘墙等。

1.1 刚度的合理选取

结构刚度是高层建筑结构设计中需要重点解决的问题之一，也是进行结构优化设计的主要方向［1］。结构的层间位移角是衡量结构刚度及变形能力的重要指标［2］。因此，可以通过控制结构层间位移角指标，来判断剪力墙的布置，如剪力墙的数量、长度或厚度等是否合理。剪力墙结构的层间位移角限值，《高层建筑混凝土结构技术规程（广东省标准）：DBJ 15-92-2013》［3］为1∕800，国家标准《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3-2010》［4］为1∕1 000，工程设计时要尽可能接近这一数值，如果计算结果与限值相差太多，说明剪力墙结构刚度较大，或剪力墙布置数量过密，或剪力墙过长、过厚。

某“品”字形高层住宅地下1 层，地上32 层，地面以上总建筑高度为97.5 m，其中首层层高4.5 m，标准层层高3.0 m。本工程按7度抗震设计，场地类别为Ⅱ类，基本风压0.30 kN∕m2，地面粗糙度为B类［5］。

该结构由地震作用起控制作用，因此通过调整剪力墙的数量、长度、厚度或局部结构布置（见图1），使在多遇地震标准值作用下结构的最大层间位移角分别接近1∕800，1∕1 000，1∕1 300，1∕1 600的限值要求，各方案材料用量统计如表1所示。

图1 某高层住宅结构不同层间位移角限值下平面布置Fig.1 Layout of a High-rise Residential Structure with Different Floor Displacement Angle Limits

表1 不同层间位移角限值下材料用量统计Tab.1 Statistical of Material Usage Under Different Displacement Angle Limits

由表1可知，结构刚度越大，剪力墙的混凝土用量和钢筋用量均越大；其中层间位移角按1∕800 限值控制的混凝土用量最少，层间位移角按1∕1 300 限值控制的钢筋用量最少。比较混凝土与钢筋材料总成本，可以看出层间位移角限值越大结构越经济。因此，若执行文献［3］，则层间位移角接近1∕800限值时材料用量最省；若执行文献［4］，则层间位移角接近1∕1 000限值时材料用量最省。

1.2 墙肢对齐布置，避免错位

作为高层建筑结构主要的抗侧移构件，进行剪力墙结构布置时，应尽量避免剪力墙错位布置。同一方向的墙肢宜均匀对齐布置形成联肢剪力墙，从而发挥墙肢间的联动效用［6］，即使墙肢间可以协同工作又能使结构获得更大的侧向刚度。

某高层住宅结构平面Y向存在4片墙肢错位布置的情况（见图2a 中框起部分）。稍微调整此2 处墙肢的位置，使其形成2 道对齐的剪力墙（见图2b）。经计算对比，对齐布置的剪力墙结构，其Y 向侧向刚度比原结构布置增加了11%。因此，墙肢对齐布置对提高结构的整体侧向刚度很有帮助。

图2 某高层住宅标准层结构平面布置Fig.2 Layout of a Standard High-rise Residential Standard Floor Structure

1.3 强周边、弱中部布置，减小扭转效应

剪力墙结构在满足承受竖向荷载和结构抗侧移刚度的需求外，还应具有一定的抗扭刚度，以确保结构在地震作用下不至于产生较大的扭转效应。实践经验表明，可适当加强结构周边剪力墙，必要时可将房间窗台设置成高（连）梁予以加强，尽量使结构平面形心、质量中心与结构刚度中心“三心”重合，从而充分发挥剪力墙的抗扭作用。

图3 高层住宅结构剪力墙两种结构布置方案Fig.3 Two Structural Layout Schemes of High-rise Residential Structure Shear Wall

图3 为某高层住宅结构剪力墙优化前和优化后的2 种布置方案，其中方案1 的长墙肢主要集中在结构的平面中部位置，四周的墙肢相对较短；方案2的剪力墙沿X、Y 两方向均匀布置，且角部的剪力墙墙肢长度适当加大。在多遇地震标准值作用下，2 种方案的计算结果指标如表2所示。

表2 计算结果对比Tab.2 Comparison of Calculation Results

计算结果表明，2种方案Y 向层间位移角相近，抗侧移刚度比较接近，但方案2 的扭转位移比相对方案1减小了10%，扭转效应相对较小。可见，加强结构周边的剪力墙，适当减小中部位置的剪力墙，能使结构获得较大的抗扭刚度。

1.4 避免使用短肢剪力墙

由于短肢剪力墙的延性较差，必须加强其抗震构造措施，与一般剪力墙相比，轴压比限制更严，且需全截面配置竖向钢筋，特别是非底部加强部位，配筋率要比一般剪力墙高很多，用钢量相对较高。郭晓梅等人［7］选取已建的某12层住宅户型，采用6种常见的结构形式进行对比。经计算，一般剪力墙结构的钢筋含量为36.3 kg∕m2（墙厚160 mm）和37.7 kg∕m2（墙厚200 mm），而短肢剪力墙结构的钢筋含量为45.6 kg∕m2，在所有结构形式中含钢量最高，笔者认为与规范的严要求有关。其他文献［8］统计的结果也表明短肢剪力墙结构的钢筋用量相对偏高：①江门市某大厦，地上31 层，7层以上为住宅，6层以下为商业，钢筋用量为72.7 kg∕m2；②广州某花园，地上26 层住宅，高79 m，钢筋用量61.73 kg∕m2。因此，从经济角度出发，高层住宅结构应尽量避免使用短肢剪力墙。

1.5 优先采用带翼缘墙，少用一字墙

L 型、T 型和槽形等剪力墙因设置了约束作用的有效翼墙，对提高结构的侧向刚度及确保墙肢的稳定性作用明显。试验表明：有翼墙的墙肢（长翼墙或有效翼墙等）与无翼墙的一字形墙肢相比，不仅稳定性有明显的改善，而且其极限承载力约提高40%，故结构设计时宜优先采用。根据以往工程经验，L 形、T 形和槽形等剪力墙的翼墙长度应设计成有效翼墙，一般可控制在0.6～1.0 m，使边缘构件接近构造配筋为宜。

本节讨论了剪力墙的布置原则，按这种思路进行结构设计，可优化剪力墙的布置。应该说，以上方法既相互独立，又密切联系和相互制约，比如结构刚度，一直贯穿整个结构优化设计的过程，是进行结构优化设计的主导方向。

2 剪力墙配筋优化与合理构造

据统计，在一般剪力墙结构中，剪力墙的钢筋用量所占比例在50%～60%之间［5］，是整个结构材料用量的核心［9］，是优化时重点考虑的内容。与梁、板相比，剪力墙的配筋设计较为复杂和琐碎，且往往由于设计周期较短的原因，设计人员难以进行精细化设计，容易忽略一些细节，从而导致剪力墙的配筋偏于保守，有时甚至造成不必要的浪费［10］。

本节结合现行规范、规程、标准图集及工程设计经验，总结了剪力墙配筋优化设计的若干方法，以供借鉴。

2.1 合理确定剪力墙底部加强部位及边缘构件

文献［4］规定：一、二、三级剪力墙底层墙肢底截面的轴压比小于表3 的规定值时，底部加强部位可以设置构造边缘构件，否则应在底部加强部位及相邻的上一层设置约束边缘构件。根据约束边缘构件与构造边缘构件钢筋用量的差异分析，仅箍筋用量，构造边缘构件就可比约束边缘构件节省50%以上［5］。因此，在结构设计中严格区分剪力墙底部加强部位和非加强部位，并准确合理设置边缘构件，对节省钢筋用量很有意义，随意扩大底部加强部位范围必然会使用钢量增加。

表3 剪力墙可不设约束边缘构件的最大轴压比Tab.3 Shear Wall May not be Constrained by the Maximum Axial Compression Ratio of Edge Members

特别提醒的是，“底层墙肢底截面”是指嵌固端处截面，若将地下室底板处剪力墙的轴压比作为判别依据将会造成浪费。

剪力墙底部加强部位的确定应注意以下2点：

⑴无论地下室顶板是否作为上部结构的嵌固端，底部加强部位的高度均应地下室顶板算起；

⑵当地下室顶板不能作为上部结构的嵌固端时，底部加强部位宜向下延伸至计算嵌固端。

举例说明：某高层住宅结构，地下3 层，地上32层，地面以上结构总高度98.4 m，其中首层层高5.4 m，2～32 层层高3.0 m，地下室顶板作为上部结构的嵌固部位。若执行文献［4］规定，底部加强部位的范围为1～3 层，1～4 层剪力墙设置约束边缘构件，地下室及地上其余各层设置构造边缘构件；若执行文献［3］的规定，底部加强部位宜至少延伸到地下室1 层，可取-1～3 层做为底部加强部位的范围，则-1～4 层设置约束边缘构件，其余各层设置构造边缘构件。

上述项目若嵌固端位于-1层时，则无论文献［4］还是文献［3］，底部加强部位的范围均可取-1～3层。

从经济角度出发，对于同一层剪力墙，还可以根据各墙肢轴压比的实际情况，分别设置约束边缘构件或设置构造边缘构件。如图4 所示，某二级抗震剪力墙首层剪力墙配筋图中，轴压比大于0.3 的墙肢设置约束边缘构件，轴压比小于0.3 的墙肢设置构造边缘构件。

图4 不同轴压比下剪力墙边缘构件设置案例Fig.4 Cases of Setting Edge Members of Shear Wall under Different Axial Compression Ratios

结构设计中，为尽量避免设置约束边缘构件，从而减少配筋量，常采用以下2种优化思路：

⑴在可能条件下，适度加大底部加强部位外围剪力墙墙肢长度和厚度，取消结构中部相对较短的墙肢，使大多数墙肢的轴压比小于表3的限值。

⑵在剪力墙布置基本不做大的变化的情况下，合理加大底部加强部位剪力墙墙肢长度和厚度，使大多数墙肢的轴压比小于表3的限值。

2.2 采用组合墙配筋方法

采用组合墙配筋方法，即在墙柱配筋设计时考虑翼缘墙参与共同工作。《建筑抗震设计规范：GB 50011-2010》第6.2.13 条规定：抗震墙结构计算内力和变形时，其抗震墙应计入端部翼墙的共同工作。以往的设计，软件对每一个墙肢单独按照矩形截面进行配筋计算，不考虑翼缘作用，这种方法配筋一般情况下都会偏大，特别是翼缘墙的配筋，有时甚至超筋。设计人按计算结果进行配筋，必然会导致边缘构件配筋很大。随着计算软件的完善，现阶段计算程序基本上可以实现组合墙配筋模式，如YJK 计算程序，可以通过勾选“墙柱配筋设计考虑翼缘墙”让软件自动计算；PKPM 系列软件，可以通过补充定义组合墙，从而进行组合墙设计。

软件提供的剪力墙组合墙配筋模式，可以对L形、T形、槽形和工字形等剪力墙按整个组合墙进行双偏压配筋计算，比按照单肢墙计算得出的边缘构件配筋结果要小，比较符合剪力墙的实际受力情况，使设计更加合理。大量的实例及测试证明，采用组合墙配筋方法，一般情况下既能节省约10%～30%的钢筋，而且使钢筋在边缘构件中的布置效率更高。在高烈度区的剪力墙结构中，这种做法的经济效益更加明显。

7 度区（0.15g）某二级抗震的剪力墙结构，其非底部加强区某250 mm 厚L 形墙，根据规范要求设置构造边缘构件，如图5a所示。原设计采用单肢墙的配筋模式，边缘构件总配筋面积为9 788 mm2，如图5b 所示；使用组合配筋方法后，边缘构件总配筋面积仅为3 242 mm2，如图5c 所示。经统计，钢筋用量仅为原钢筋用量的1∕3，大大节省了钢筋用量。

图5 采用不同配筋模式设计结果对比Fig.5 Comparison of Design Results with Different Reinforcement Modes

2.3 边缘构件竖向钢筋直径的合理选用与组合

在边缘构件配筋设计中，可以通过合理选用和搭配竖向钢筋的直径来节省钢筋用量。在满足计算和构造要求的提前下，可通过改变角部或中部钢筋的直径，使竖向钢筋面积接近规范最小配筋面积限值。实际工程中，常用的纵筋组合方式如图6所示，图6中相同编号的钢筋直径尽量相同。一般情况下，采用多种直径组合方式，可以节省约5%～15%的钢筋。

2.4 边缘构件竖向钢筋间距的合理确定

文献［4］规定：箍筋、拉筋沿水平方向的肢距不宜大于300 mm，不应大于竖向钢筋间距的2倍。根据该规定，可通过调整竖向钢筋的间距，使其为150 mm或300 mm，从而实现箍筋肢距为最大限值300 mm：当竖向钢筋间距为150 mm 时，箍筋可以“隔一拉一”设置；当竖向钢筋间距为300 mm 时，应“逐根拉筋”设置。对于构造边缘构件，除计算要求外，标准的L 形、T 形边缘构件，中间无需设置拉筋（见图7）。在以往的设计中，常发现设计人满拉箍筋的情况，造成了一定程度的浪费。

图6 剪力墙边缘构件不同直径纵筋组合方式Fig.6 Schematic of the Combination of Different Diameter Longitudinal Bars of the Edge Members of the Shear Wall

图7 标准构造边缘构件拉筋设置示意图Fig.7 Schematic Diagram of Setting the Reinforcement of Standard Structural Edge Members

2.5 利用墙身水平分布钢筋代替边缘构件箍筋

文献［4］第7.2.15 条明确规定符合构造要求的剪力墙水平分布钢筋，可计入约束边缘构件体积配箍率中，图8所示为国家标准图集16G101-1给出的约束边缘暗柱2 种做法。在工程实践中，同样可以利用墙身水平分布筋代替构造边缘构件最外围的封闭箍筋。

7度区某剪力墙结构，剪力墙抗震等级为二级，其底部加强区某L 形墙厚度为300 mm。配箍率计算时计入剪力墙水平筋，约束边缘构件区配筋如图9所示。与不计入剪力墙水平筋的约束边缘构件相比，水平筋伸入约束边缘构件区的部份即为节省的箍筋量。经统计，采用墙体分布筋兼作约束边缘构件的箍筋可节省箍筋量9.1%。

图8 水平分布筋计入约束边缘构件体积配箍率构造做法Fig.8 Construction Method of Horizontal Distribution Bars Included in Volumetric Coupling Rate of Constrained Edge Members

图9 某墙体水平分布筋代替箍筋做法大样Fig.9 Large Sample of a Wall with Horizontal Distribution Bars Instead of Stirrups

2.6 约束边缘构件箍筋采用高强度钢筋

从国家及行业政策导向来看，推广应用高强高性能材料将是大趋势。《混凝土结构设计规范：GB 50010-2010》已明确将HRB400 作为主力钢筋，逐步淘汰低强度钢筋。目前市场上HRB400 螺纹钢与HPB300 圆钢相比，价格贵5%左右，但强度提高了33%。约束边缘构件采用这2种级别钢筋的体积配箍率限值对比如表4 所示。从表4 中可以看出，采用HRB400钢筋，可大幅度降低体积配箍率限值，从而节省钢筋用量。

2.7 约束边缘构件阴影部分箍筋直径的合理组合

结构设计中，常常会遇到这种情况：采用某一直径的箍筋或拉筋时，体积配箍筋率超出计算值或规范限值较多；采用小一级直径的箍筋或拉筋时，又不能满足计算值或最小体积配箍筋率限值的要求。这时，可采用不同直径的箍筋或拉筋进行组合，使体积配箍率达到最优值。实际工程中，常用的箍筋组合方式如图10所示，图中相同编号的箍筋直径尽量相同。

表4 约束边缘构件体积配箍率限值ρ vminTab.4 Limitation of Volumetric Coupling Rate of Constrained Edge Members ρ vmin （%）

图10 剪力墙边缘构件不同直径箍筋组合示意图Fig.10 Schematic Diagram of the Combination of Stirrups With Different Diameters at the Edge of the Shear Wall

3 剪力墙优化设计的其他建议

3.1 混凝土强度等级的合理选取

提高混凝土的强度等级一般可显著减小竖向构件的尺寸，增加建筑实际使用率，有条件时应尽量选用高强混凝土。剪力墙混凝土强度等级的选取，一是要满足轴压比的限值要求，二是尽量使大部分构件为构造配筋。另外，为提高结构的抗侧力刚度，提高混凝土强度等级也是有意义的。根据以往工程经验，30层左右的高层住宅，剪力墙底部混凝土强度等级取C55或C60，综合经济性较好。18层左右的高层住宅，剪力墙底部混凝土强度等级可取C35或C40。

3.2 钢筋连接方式的选取

实际工程中，剪力墙边缘构件的竖向钢筋直径一般较大，若采用搭接连接，搭接长度范围内的箍筋间距不大于竖向搭接钢筋最小直径的5 倍，且不大于100 mm，即搭接长度范围内的箍筋需加密。因此，对剪力墙约束边缘构件阴影部分或构造边缘构件的竖向钢筋直径d＞22的，建议采用机械连接；对竖向钢筋直径14≤d≤22 的，建议采用焊接连接；对竖向钢筋直径d＜14的，可以采用搭接连接。

4 结语

本文结合工程设计经验，主要从剪力墙结构优化布置、配筋优化及合理构造进行分析，总结了剪力墙优化布置的5点原则和优化剪力墙构件配筋的若干措施方法，同时给出了混凝土强度等级、钢筋连接方式合理选取的两点建议。剪力墙结构的布置及优化，需要一定的工程经验，要求设计人从结构概念设计出发，合理控制剪力墙结构的刚度、布设位置及数量等，并经过反复的推敲和验算，确定最佳的方案，从而提高工程经济性。剪力墙构件配筋优化，考验设计人的细心和体力，要求设计人进行精细化设计，将设计做得更加细致，从而达到减少钢筋用量、降低结构含钢量、节省成本的目的。回看优化过的项目，发现确实有些设计存在浪费的现象，其中有设计周期短的原因，也有设计队伍相对年青，设计人员经验不足、缺少实际锻炼等原因。希望本文能给设计人员，特别是给年青的工程师提供借鉴。