探讨高层住宅结构剪力墙优化设计改进方案

张 君

（山西省第二建筑设计院，山西 长治 046000）

近年来，中国城市建设的发展越来越快，城市土地价格逐渐升高，房地产商为了提高自身经济效益，开始逐渐倾向于设计高层住宅，在提高土地利用率的同时住宅设计也更具现代人的审美，而在建设高层住宅过程中，剪力墙的设计施工是其中必不可少的一环，剪力墙分为平面剪力墙和筒体剪力墙，因其作用，它在日常中又被称为抗风墙、抗震墙或结构墙，它在住宅中主要承担对强风的抵抗、地震作用等引起的水平荷载以及房屋结构自重、可变荷载等引起的竖向荷载的墙体。所以在高层住宅结构优化设计中，剪力墙结构的改进方案十分重要。

1 结构设计优化

在进行高层住宅建设中，其结构设计主要是依靠住宅的设计要求，选择适当的结构形式，在高层住宅满足安全性、实用性、牢固性等要求的前提下，进行纵横两种受力构件的布置，利用适当的推算方法，进行周密筹划以确定最合适的构件截面长度和配筋尺寸。对高层住宅的剪力墙结构来说，在满足了建筑居住等要求的前提下，如何能设计出更加完美的结构，也是该行业和社会面临的共同问题。另外，高层住宅的设计方案也不是单一的，设计出不同方案的同时，又需要在这些设计方案中探索出一种最优方案，既要保证建筑结构的合理性，又要控制建筑成本的经济性。

1.1 剪力墙优化

在高层住宅结构设计中，剪力墙主要是顺着主轴或其余方向进行两个方向铺排，以形成稳定结构，在进行抗震性的设计中，不应该仅仅只沿一个方向安置剪力墙，而是使两个方向的抗侧刚度接近，以便让其具有良好的抗震性能。在建设中，需要减少剪力墙布置，增大使用空间面积，用尽量少的剪力墙布置出尽量大的空间，有利于充分利用剪力墙的承载能力。剪力墙的特点是墙体平面内刚度大，负荷力高，但在平面外，它的刚度和负荷力都较小。在这样的情况下，为了把控剪力墙的平稳性，需要控制平面外的刚度，并采取适当的方法减少墙面外负荷对剪力墙的压力。剪力墙的铺排对高层建筑结构的抗侧刚度有很大影响，所以剪力墙应该连贯铺排，防止高层建筑的刚度突然变化。在进行剪力墙结构优化时，应提前进行整体分析，确定剪力墙的平面布置，使建筑结构各项指标满足位移比和周期比要求，同时，还要考虑地震等级对高层住宅结构抗震性能的影响。

1.2 剪力墙肢优化

在剪力墙肢的优化中，其布置应该更简单和规则，剪力墙的竖向刚度应较平均，剪力墙的门窗洞口需上下一一对应，整齐布置，以便形成竖向连续的墙肢，这样一来，在面对一些总高度较高的建筑结构时，应该采用延展性较好且能够弯曲的剪力墙，提高其抗震性能。除此之外，剪力墙肢中洞口的设置需要避免剪力墙肢刚度差别过大，如果剪力墙的洞口布置过大，形成短肢剪力墙，甚至成为异形柱框架结构。当面临较长的剪力墙时，应该在墙肢范围内开设洞口，使其能尽量划分为长度相近的数个墙肢，尽可能发挥出墙肢的承受能力，另外，墙段之间需要使用弱连梁连接，以避免剪力墙产生脆性的破坏［1］。在抗震设计中，应避免形成截面高度与厚度之比小于4的小墙肢。如果上述小墙肢的比例小于4，此时应该按照框架柱设计，按框架柱加密区要求全高加密。

2 结构计算优化

首先，在进行剪力墙布置时，应根据设计方案综合考量该结构是否合理，剪力墙连梁是否满足规范要求，剪力墙轴压比是否满足规范要求等，都是剪力墙的优化重点。例如：剪力墙结构的刚度不能过大，在满足方案规定最小剪力系数的同时，A级高层结构Tt/T1不应大于0.9；在探究到有偶发水平地震力的影响下，楼层剪力墙构件水平位移的最大值最好不能大于平均值的6/5，更不应该大于平均值的3/2。其次，设计时应符合相邻楼层侧向刚度变化要求。在为常受地震灾害影响的建筑设计最大层间位移时，应以层间弯曲变形为主。因此，高层建筑需要限制变形，但又不能仅仅只依据这些层间位移，而不由分说地直接增加剪力墙构件的纵向刚度。在实际中，一些工作者在注意到其中一个方向的层间位移不符合设计规范时，就把该方向的侧向刚度不断地增加，这种行为是不可取的。但如果发生了这样的情况，就应该及时关注结构的剪重比，若剪重比满足规范要求即可行；若剪重比超限，则应该减小对应一侧的结构刚度。

最后，建设时应严格遵守最小剪力系数的建造要求。当剪力墙承载的力矩总和较大时，应相应减少剪力墙的数量，扩大剪力墙的布置范围，使建筑具有均匀的侧向刚度，让该建筑的最小剪力系数近乎满足设计标准。这样，既能使结构减轻自身的重量，有效抵抗地震，又能降低成本。在地震灾害分析中，平面不规则和抗扭刚度太弱的结构，在地震中受损严重。因此，在设计中，首先要保证结构平面规则性，避免产生过强的扭转效应；另外，建筑本身的抗扭性也必须提升，在实际中，高层建筑中剪力墙的竖向构件需要尽量顺着建筑结构铺排，提高建筑的安全程度，增强其抗扭转性。

连梁超限的调整原则。在具体实施中，规定跨高比不小于5的连梁宜按框架梁进行设计，跨高比小于5的连梁应按有关规定进行设计。在建筑结构中，其构件一般使用弹性刚度进行具体设计，但在普遍情况下，市面上采用的剪力墙中连梁刚度较小，荷载的重力与剪切力较大，从而导致配筋安排复杂。所以，应该探寻在不阻碍到其承载竖向压力的情况下，同意连梁在可控范围内把承担的力量进行转移。在建筑结构设计方面，连梁应该在内力估算之前将刚度适当减少；在估算后，将连梁承载的重力与剪切力之和再乘以系数。但是要注意，连梁改变后的承载力和剪切力都不能低于其设计的正常极限使用状态，以免在使用或遭遇地震时，连梁出现裂缝［2］。

3 结构布置优化

剪力墙结构布置的优化就是维护剪力墙平面的平整度，让剪力墙平面的重心和整个建筑刚度的中心尽可能的重合，从而减小扭转变形。其次，在平面布置时要使剪力墙在两侧都进行铺排。在进行结构布置设计时必须尽可能顺着中心线对称，此外，还需要多留意它的抗侧能力，不能使其刚度过高，确保刚度与剪力墙数量相对应，进一步扩大使用面积。

3.1 竖向构件的布置

在高层住宅建筑中，剪力墙的铺排应按照邻近强、中部弱，墙长均匀对称的原则，使剪力墙按照主轴方向均匀布置，使建筑成为一个更紧密的整体，从而提升其抗扭性。在满足基本要求的前提下，需要在楼道里、电梯间等较重要地方密集的铺排剪力墙，在外墙不能开太多的墙洞，转弯等相对较特殊的地方不弄窗户，内墙开洞不应出现过多短肢墙，并且，卧室门旁边的小墙垛不能过小，否则很容易形成一字墙。剪力墙的铺陈应能控制两主轴的间距，使高层建筑的刚度中心和质量中心尽量重合，降低地震发生时产生的扭转作用，以使剪力墙的有效利用率得到提高。

结构竖向布置是高层住宅的竖向类型要设计的原则，为防止建筑有超限的外挑和内收，建筑结构的侧向刚度的变化需有规律，避免突变，必须使用较规整的建筑结构。就剪力墙而言，剪力墙墙厚上层厚度不应大于下层厚度，开设的洞口需上下结构对齐，尽量避免出现错洞墙、叠合错洞墙，防止产生竖向抗侧力构件不连贯和错层的情况，从而导致薄弱部位产生损坏，进而破坏整个高层建筑的安全性和稳定性。所以，增强传力途径的准确性，能有效提升高层建筑的安全性，使结构受力方式更加清晰，其造价也相对较少［3］。

3.2 水平构件的布置

水平构件铺排分为梁、板构件布置。梁、板构件在铺设时，最先需要保证传力适宜，不能出现楼面荷载多次传递，另外是使高层住宅空间需要布置合理，最后才是控制含钢量，降低建筑成本。

3.3 基础类型布置

基础类型的铺排是剪力墙结构按照基础层数、地基承载力和土层有无软弱下卧层等条件进行具体规划的。一般来说，地基负荷力较高时，层数较少的剪力墙结构，允许使用筏板基础；地基负荷力较小时，也能使用桩筏基础。若住宅建筑层数在20层以上，这时，筏板基础就会难以负荷其承受的重力，在这种情况下就应该改为使用桩筏基础。另外，平板式筏板基础厚度应按照结构层数和剪力墙间距进行具体测算，首先工作人员需要验算，在此基础上，再相应对筏板承载力和变形程度进行控制。在测算其厚度时，每增加一层，板厚增加5cm，按设计规定平板式筏板的厚度必须处于40cm及以上，根据这样的规律再来进行比较分析会更加真实可信。但是，如果剪力墙间距较小，按照上述经验初估筏板的厚度就会偏大。筏板基础的计算中，应该更加关注基床系数的有效运用，如果基床系数较小就会使筏板配筋增大，产生浪费；若它较大则又会使筏板配筋不足，产生安全问题。所以，在基础筹算中，根据地基土土层特性，估算出适当的系数更是结构布置优化的主要部分。从整体来看，基础设计不是一个简单的过程，设计人员应从多个方面综合探讨，以便确定最佳设计方案。

4 结语

中国经济正处于飞速增长阶段，城市化进度越来越快的同时也促进了越来越多的人口涌入城市，随之而来的是人们对于建筑行业的要求逐渐升高，相关企业必须重视这一现象，加快建筑结构设计的优化，更好的满足消费者对高层住宅的需求，而剪力墙结构在建筑工程中拥有举重若轻的地位，所以要根据建筑工程的实际情况，对剪力墙进行优化设计、合理改进，确保剪力墙结构施工质量的同时，又能满足消费者的要求，推动相关建筑企业科学发展。