高层住宅剪力墙结构优化设计

屈国红

（山西省建筑设计研究院有限公司，山西 太原 030013）

1 工程概况

本工程为山西太原市某住宅小区高层剪力墙结构，地下2层，地上30层，其中-2层使用功能为人防，房屋结构总高度90.3米。设防烈度8度 （0.20g），地震分组二组，场地类别Ⅲ类，特征周期0.55s，抗震等级一级。

2 剪力墙的布置

2.1 剪力墙平面布置原则

剪力墙布置宜遵循均匀对称的原则，减少结构楼层质量中心与刚度中心的偏心，从而减少结构由于扭转效应增加的配筋。在满足结构各项整体指标的前提下，本工程除住宅平面的楼电梯间周围集中布置剪力墙外，其余平面中部的剪力墙不宜布置过多。一般控制结构扭转和层间位移角的位置均在平面的周边和角部，故本工程适当加强了平面外围的剪力墙布置。通过计算结构周期比为0.59，抗扭刚度较强，结构布置较为合理。

2.2 剪力墙布置的长度与厚度

1）剪力墙不是布置的越多，结构就越稳定安全，实际上剪力墙布置越多，结构自重和刚度越大，地震作用力就越大，进而导致一系列构件配筋的增大。本工程对于端部剪力墙长＞8m的用洞口分成双肢墙，从而在满足结构各整体指标的前提下减小结构吸收的地震力。剪力墙布置的数量合理经济与否还可以通过层间位移角指标来进行判断，本工程通过计算层间位移角为1/1019，满足规范1/1000的最大限值，且较为经济。2）常有设计人员为了迎合建设单位对含钢量的要求，为了应付顾问咨询单位的优化，对较高的 （高度＞60m）高层建筑，机械地控制剪力墙高宽比，例如墙厚200mm时，大部分剪力墙长取值1650mm或1700mm，此时由于墙肢两端需要设置边缘构件，连梁配筋也大于墙体配筋，同时开洞处还需二次结构后砌墙，最终不一定经济。本工程处于高烈度区且房屋较高 （高度＞60m），优先布置一般剪力墙，减少复杂形状，尽量布置为 “L”形、“T”形，有利于剪力墙稳定，在提高抗震性的同时满足经济性。3）由于平面南侧建筑窗洞较多，剪力墙相对较少，导致底部轴压比超出规范限值，本工程除对地上1～5层南侧平行于X轴的墙体加厚为250mm，其余均为200mm。既满足规范规定，又保证了经济性。

2.3 剪力墙的开洞处理

1）过长的剪力墙应开洞口，且洞口尺寸宜使连梁跨高比ln/hb为2.5～5，使其破坏形式实现延性破坏。本工程连梁的跨高比大多为3～5，在加强剪力墙整体刚度的同时适当减小地震时连梁分担的地震力。

2）本工程由于需要采用铝膜板施工工艺，同时为了减少二次结构施工带来的不便和工期加长，需要结构专业配合实现外围窗洞下墙体也做全现浇的方案。为此结构设计人员对这些墙体与结构主体剪力墙连接处进行了特殊处理，措施为墙体一侧和下方分别设置30mm厚挤塑板，尽量减少此部分增加的现浇墙体对结构整体刚度和受力的影响。

3 配筋设计

3.1 边缘构件的配筋

高层住宅的含钢量主要由剪力墙的用钢量控制，其中边缘构件的配筋量又占比很大。本工程顾问咨询公司依据 《高层建筑与混凝土结构技术规程》表7.2.14规定，因本结构嵌固端取在基础顶，故建议各楼层均按-2层各墙肢的轴压比＜0.2时，对应墙体从上到下均设置构造边缘构件，但笔者认为规范规定的本意是建立在墙肢底部加强部位截面厚度不发生变化基础上的。而本工程地下室墙在正负零以下厚度变为250mm，同时地下二层为满足人防工程需要，还额外增设了部分钢筋混凝土墙体，且外围墙体大都不设洞口，所以轴压比在首层与地下层产生了突变，又由于首层轴压比普遍＞0.2，考虑到首层对上部结构存在的实际嵌固作用，其为结构重要部位，经过与优化咨询人员进行讨论，最终认可本工程结合首层墙肢的轴压比来判断结构底部加强部位是否按约束边缘构件进行配筋设计。

3.2 短肢剪力墙的配筋

本工程由于建筑使用功能需要，个别剪力墙布置为短肢墙，顾问咨询方起初建议此类墙体按照一般构件进行配筋，却忽略了 《高层建筑与混凝土结构技术规程》7.2.2条对短肢墙的配筋构造要求。经过沟通对方同意按照规范要求进行设计配筋。可见作为设计人员应熟悉规范，加强理解应用，对于顾问方提出的一些建议应进行分析判断，不能盲目接受。

4 关键受力部位的加强措施

本工程左右两个单元通过设置连廊相连，作为平面的凹凸位置，此处楼板传力明显不直接，从结构设计概念上判断属于关键部位、受力薄弱部位。结构设计采取了加厚此处楼板为150mm，双层双向贯通配筋的方式。对支撑该处楼板的框架梁钢筋也做了适当加强。

5 结构的合理选材

5.1 混凝土标号的选取

本工程剪力墙混凝土强度等级为-2～8层C45，9～13层C40，14～18层C35，其余层C30。这样设计有利于减小剪力墙截面，节省材料，减轻结构自重。

5.2 高强钢筋的应用

本工程除人防层楼板由于人防特殊要求外，其余结构层楼板均采用了CRB600H高强钢筋，此种钢筋的抗拉强度设计值fy为430MP，约是普通HRB400级钢筋强度的1.2倍，计算结果大多数楼板为构造配筋，比较经济。

6 结语

结构优化设计的本质是在首先满足结构安全以及相关规范标准的前提下进行合理地设计，充分发挥材料性能，实现结构经济性。对顾问咨询方提出的优化建议，结构设计人员应分析其合理与否。