有关剪力墙结构优化设计的思考

周秀岩

摘要：高层建筑剪力墙结构广泛应用，如何在满足规范要求各项技术指标的前提下优化设计，从而降低工程造价。

关键词：剪力墻;剪力墙结构;建筑结构设计

现阶段，随着经济和科技的快速发展，城市土地愈加紧张，住宅类建筑向高层及超高层发展已成趋势。剪力墙结构是一种常见结构形式，特别是在量大面广的高层住宅中被广泛应用。本人在实践中发现，同一建筑方案，不同的剪力墙布置对混凝土用量及钢材量的影响差异明显，对工程本身的经济指标影响巨大。

1 剪力墙结构概述

剪力墙（shear wall）又称抗风墙、抗震墙或结构墙。剪力墙结构是用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱，能承担各类荷载引起的内力，并能有效控制结构水平力的结构体系。这种结构在高层房屋中被大量运用。结构墙的高度一般与整个房屋的高度相等;其宽度一般为几米到十几米。相对而言，它的厚度则很薄，仅为200～300mm。因此，结构墙在其墙身平面内的抗侧移刚度很大，而其墙身平面外刚度却很小。所以，建筑物上大部分的水平作用或水平剪力通常被分配到结构墙上，这也是剪力墙名称的由来。

2 剪力墙结构的优化

结合自己的工作经验和工程案例下面从墙肢布置、结构计算参数取值、性能控制指标（ 如位移角） 三个方面讨论在建筑工程设计中如何优化剪力墙结构设计，为更多的设计者打开思路

2.1 平面布置原则

墙肢布置的优劣直接从宏观上影响整个建筑结构的力学性能和经济指标，因此优化布置是进行剪力墙结构优化设计的关键。剪力墙布置宜遵循如下原则。

2.1.1 墙肢均匀布置

剪力墙构件作为高层剪力墙结构主要的抗侧移构件，进行结构设计时应充分发挥墙肢间的联动效用。因此进行结构布置时，同一方向的墙肢宜均匀布置，在平面上形成多道联肢剪力墙协同工作，尽量避免剪力墙错位布置。可通过适当加强周边剪力墙以及外圈梁，调整结构刚度中心与结构平面几何形心、质量中心的相对位置，尽量做到“三心”重合的理想效果。

2.1.2 避免使用短肢剪力墙或长墙

由于短肢剪力墙的延性较差，且构造要求高，钢筋用量较大，结构布置时应避免使用短肢剪力墙。墙肢长度过长，刚度过大，会造成地震力比较集中。剪力墙结构中如果存在少量长墙，地震作用下的楼层剪力主要由这部分长墙承受，发生超烈度地震时该部分墙肢由于承受巨大的地震力往往首先破坏，由于其他墙肢的承载力较弱，容易造成剪力墙墙肢由强到弱各个击破的破坏形式，最终导致结构倒塌。因此，进行剪力墙结构布置时宜使各墙肢刚度接近，尽量避免使用长墙。

2.1.3 优先采用带翼缘墙

L 形、T 形的剪力墙因墙肢端部的翼墙起到扶壁作用，稳定性较好，同时也比较容易满足框架梁搭接在剪力墙端部时钢筋的锚固长度要求，进行结构布置时宜优先采用。L 形、T 形墙的翼墙长度可控 制 在 0. 5 ～ 1. 0m，翼墙长度越短，则配筋越少。

2.2 计算参数的敏感性

对剪力墙结构钢筋用量敏感的参数包括： 周期折减系数、连梁刚度折减系数、梁刚度增大系数、考虑压筋影响的梁配筋计算、考虑楼板作为翼缘的梁配筋计算、楼板计算假定、次梁的抗震等级等。限于篇幅，以下选取周期折减系数和楼板计算假定进行分析。

2.2.1 周期折减系数

周期折减系数不影响结构刚度，但影响结构的地震效应大小。周期折减系数可通过软件计算得到，如采用 GSSAP 软件分别计算有填充墙模型和无填充墙模型的第一周期，以这两个周期的比值作为折减依据。

某 12 层剪力墙结构，该结构填充墙比较多，计算得到的周期折减系数为0. 95。某 32 层剪力墙结构，该结构填充墙比较少，计算得到的周期折减系数为 1. 0。

工程实践表明，周期折减系数每下降 0. 1，基底地震剪力增加 3% ～ 10% ，地震力的增大将会导致配筋增大。因此，周期折减系数应慎重选取，一般剪力墙住宅结构可取 0. 95。也可通过计算结构（ 考虑填充墙刚度） 的基本周期来确定。

2.2.2 楼板计算假定

在结构整体计算中，一般情况下楼板可采用刚性板或弹性板假定。刚性板假定下可通过梁刚度放大系数考虑楼板的刚度贡献，而弹性板假定下，楼板与梁共同工作，较真实地考虑了楼板面外刚度的贡献。采用不同的楼板假定所计算得到的梁板内力分配不同，从而梁板的计算配筋也不同。

某 32 层剪力墙住宅结构，其标准层结构平面布置图略，楼板分别采用刚性板（ 中梁刚度放大系数取 1. 8） 和弹性板（ 壳元） 假设进行计算，得到的结构第一周期分别是 2. 784s 和 3. 025s，可见，基于弹性板假定的结构整体刚度比刚性板假定大，基于弹性板假定计算结果进行设计比基于刚性板假定要节省钢材，每平方米梁钢筋用量减少约 2kg。

2.3 不同层间位移角的材料用量比较

某品字形高层住宅，结构总高度为 97. 5m，地下1 层，地上 32 层，首层层高 4. 5m，标准层层高 3m。本工程位于 7 度区，基本地震加速度 0. 10g，Ⅱ类场地，设计地震分组为第一组，基本风压 0. 30kN /m2 ，地面粗糙度为 B 类。通过修改抗侧力构件的截面尺寸和局部调整结构布置，使得结构在多遇地震作用下的最大层间位移 角 分 别 满 足 1 /700，1 /800，1 /1 000，1 /1 300，1 /1 600的限值要求。

由表 2 可知，层间位移角按 1 /1 300 的限值控制的钢筋用量最少，层间位移角按 1 /700 的限值控制的混凝土用量最少。可见，结构刚度越大，剪力墙用钢量越大，梁用钢量越小，但混凝土用量越大。比较材料总造价，则层间位移角限值越大越节省材料用量; 若执行《高层建筑混凝土结构技术规程》（ JGJ 3—2010） （ 简称高规） ，则层间位移角接近1 /1 000 限值时材料用量最节省。

3 结束语

总之，在整体的工程建筑结构中，剪力墙结构拥有着非常重要的作用。作为一名结构设计工作者，如何在激烈的市场竞争中立足，如何执行好国家各项设计规范，如何保证结构安全的前提下使结构设计经济合理。是值得我们进一步思考的。

参考文献：

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