某小高层住宅不同剪力墙布置方案比较及经济性分析

李辉

（南京华升卓越结构设计事务所有限公司，江苏 南京 210000）

0 引言

剪力墙结构是高层住宅普遍采用的结构体系。对于层数较多的高层住宅，由于底层墙肢轴压比很难满足规范轴压比的要求，所以在住宅南侧，基本每个Y 向分隔墙都要布置剪力墙。但是对于小高层而言，可以去掉一些Y 向剪力墙，其余墙肢的轴压比可以通过拉长剪力墙以及提高混凝土强度等级的方式来满足。也有一些开发商，想合理控制预制装配率，增加一些框架柱，使结构体系变成框架-剪力墙结构。本文以实际工程为例，结合相关规范，对小高层住宅采用不同的剪力墙布置方案，比较分析不同布置方案下的结构力学性能，并进行经济性分析，对小高层住宅结构设计有一定的应用价值[1]。

1 工程概况

江苏省镇江市某小高层住宅，建筑标准层平面图如图1 所示，建筑物平面尺寸为55.4m×14.65m，地上11 层，地下1 层，标准层层高2.9m，房屋高度31.84m。

图1 标准层平面

该工程设计使用年限50年，建筑结构安全等级为二级。该工程所在地区抗震设防烈度为Ⅶ度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.1g，建筑的场地类别为Ⅱ类，地面粗糙度为B 类，设计基本风压为0.4kN/m2。

2 剪力墙布置方案

结构方案一：“多墙”剪力墙结构。C~E 轴住宅南侧，每个Y 向分隔墙均布置剪力墙，如图2 所示。C~E轴剪力墙长度均取为1650mm。地下室及1~3 层墙柱混凝土强度等级取为C35，4 层以上墙柱混凝土强度取为C30。剪力墙抗震等级为三级。

图2 结构方案一平面

结构方案二：“少墙”剪力墙结构。在方案一的基础上，去掉 C~E 轴住宅南侧 3 轴、6 轴、10 轴、13 轴的剪力墙，南侧8 轴剪力墙长度改为1700mm，其余墙长增加至2000mm，如图3 所示。地下室及1~3 层墙柱混凝土强度等级取为C45，4~5 层墙柱混凝土强度等级取为C40，6~7 层墙柱混凝土强度等级取为C35，8 层以上墙柱混凝土强度取为C30。剪力墙抗震等级为三级。

图3 结构方案二平面

结构方案三：框架-剪力墙结构。在方案二的基础上，将楼电梯间部分剪力墙改成框架柱，如图4 所示。抗震设计时，在规定的水平力作用下，使得结构底层框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总倾覆力矩的10%，但不大于50%。墙柱混凝土强度等级同结构方案二。此时框架抗震等级为三级，剪力墙抗震等级为二级。

图4 结构方案三平面

3 计算结果对比

本工程采用盈建科建筑结构设计软件YJK3.1.0 进行计算分析。其中方案三底层框架部分承受的地震倾覆力矩与总地震倾覆力矩的比值，X 方向为18.6%，Y方向为11%，满足框架-剪力墙的结构形式。下文从轴压比、周期、位移角和位移比4 个方面对这3 种结构方案进行分析，得出在不同剪力墙布置形式下的计算结果。

3.1 轴压比

三种结构方案的底层墙柱最大轴压比如表1 所示。根据《高规》，方案一方案二的剪力墙肢轴压比限值为0.6，方案三框架柱轴压比限值为0.9，剪力墙肢轴压比限值为0.6。

表1 底层墙柱最大轴压比

由表1 可知，方案一南侧剪力墙较多，比较容易满足规范轴压比的要求[2]。与方案一相比，方案二和方案三在去掉一些剪力墙之后通过提高混凝土强度等级以及拉长剪力墙，也可以满足规范轴压比的要求。

3.2 周期计算结果

取前三个振型，三种方案的周期和平动系数的计算结果如表2 所示。根据《高规》，结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A 级高度高层建筑不应大于0.9，各振型参与质量之和不小于总质量的90%。

表2 前三个振型的周期和平动、扭转系数

方案一的X、Y 向平动振型参与质量系数总计为94.54%和90.71%，第一扭转周期与第一平动周期的比值Tt/T1=0.76；方案二的X、Y 向平动振型参与质量系数总计为94.24%和90.67%，第一扭转周期与第一平动周期的比值Tt/T1=0.65；方案三的X、Y 向平动振型参与质量系数总计为94.26%和90.72%，第一扭转周期与第一平动周期的比值Tt/T1=0.65。三种方案参与质量之和以及周期比均满足规范的要求。由表2 可知，三种方案振型均比较规则，满足“平动-平动-扭转”的振型特点，且方案二和方案三的周期基本一致。

仅比较方案二和方案一，方案二的第一振型周期增加了16.58%，第二振型周期增加了2.65%，可以看出，方案二X 方向的刚度降低较多，Y 方向刚度降低很少，说明 3、6、10、13 轴布置剪力墙，对 Y 方向的刚度贡献不大，几乎与拉长南侧其余墙肢长度的模型刚度一致，因此在这四个轴布置剪力墙效果不大。相较于方案一，方案二第三振型周期减少了0.52%，抗扭刚度基本不变，说明在3、6、10、13 轴布置剪力墙对结构抗扭刚度基本没有贡献。从周期比来看，模型二周期比更小，抗扭刚度与抗侧刚度的比值就越大，结构抗扭效果越大[3]，说明去掉3、6、10、13 轴的剪力墙，结构抗扭效果反而得到了提高，对结构更加有利。因此可以判断，在住宅南侧这四个轴布置剪力墙，会使得建筑南侧北侧刚度相差较大，去掉这四个轴的剪力墙更加合理。

3.3 层间位移角

最大层间位移角如表3 所示。根据《高规》，剪力墙结构层间位移角限值为1/1000，框架-剪力墙结构层间位移角限值为1/800。

表3 层间位移角

由表3 可知，三种方案均满足层间位移角的要求，各方案两个方向最大层间位移角与规范限值的比值，方案一为79.62%、65.23%，方案二为84.6%、61.39%，方案三为75.4%、54.31%。可以看出，方案二更加接近规范限值，剪力墙的布置更加合理，方案三相比方案二层间位移角略有增大，但是更容易满足规范层间位移角的要求。方案一3、6、10、13 轴布置剪力墙对Y 向层间位移角的限制作用很小。

3.4 扭转位移比

最大位移比和最大层间位移比如表4 所示。根据《高规》，不宜大于该楼层平均值的1.2 倍，不应大于该楼层平均值的1.5 倍。

表4 最大位移比和最大层间位移比

由表4 可知，三种方案均满足规范要求，且基本接近。

4 经济性分析

4.1 混凝土用量

三种方案的混凝土用量如表5 所示。

表5 混凝土用量统计

相较于方案二，方案一的混凝土用量增加了4.71%，方案三的混凝土用量减小了0.906%，方案二和方案三混凝土用量基本一致，方案一的经济性最差，不利于节约工程造价。

4.2 钢筋用量

三种方案的单位用钢量如表6 所示。

表6 钢筋用量统计

相较于方案二，方案一的单位钢筋用量减小了0.602%，方案三的单位用钢量增加了4.146%，方案一和方案二用钢量基本一致，方案三的经济性最差，不利于节约工程造价。

5 结语

本文结合具体工程实例，对小高层住宅的剪力墙布置提出了三种方案，这三种方案是结构设计人员经常遇到的情况。通过结构计算软件对抗震计算结果的比较以及经济性分析，得出了以下结论。

（1）应尽可能采用“少墙”剪力墙而非“多墙”剪力墙的布置形式。在建筑南侧增加过多的剪力墙，对建筑的Y 向侧向刚度贡献不大，且容易使得建筑南北两侧刚度相差较大，对结构抗扭会产生不利影响。同时，“少墙”剪力墙在经济性方面也更占优势。

（2）框架-剪力墙在抗震性能方面与“少墙”剪力墙十分接近，但由于剪力墙抗震等级的提高，会在建造经济成本方面有所增加。同时，框架柱会占用使用空间，在建筑平面的空间利用率上面明显弱于“少墙”剪力墙[4]。近些年来，开放商为了合理控制预制装配率而使用框架-剪力墙结构，框架柱在对建筑功能影响较小的情况下，也不失为一种选择。