高层住宅剪力墙大开间结构设计分析

马文丽 (青州弘正建设工程质量检测有限公司，山东 潍坊 262500)

随着城市化进程的加速和人口的不断增长，高层住宅建筑的需求正在不断增加。在城市规划和建设中，高层住宅大开间结构日益成为一种备受关注的设计选择，其旨在提供宽敞的内部空间、优越的采光条件以及灵活的室内布局。这种结构类型在满足现代城市居民对住宅舒适性和功能性的需求方面具有显著的潜力[1]，因此，对其性能和设计参数的深入研究具有重要意义。通过对不同结构方案的详细比较和性能评估，分析抗震性能、振型分解反应谱法和弹性时程分析等参数，为高层住宅大开间结构设计提供有力的理论和实践支持，促进城市建设的可持续发展。

1 工程概况

某高层大开间结构住宅项目，总建筑面积约为20900m2，总高度约为92m，楼层数为30层，主要户型为2 梯4 户结构，分为不同单元，每个项目都提供多种户型的高品质装修房源，以满足居民多元化的居住需求。住宅采用大开间结构的设计理念，柱间距平均约为8m，创造宽敞明亮的室内空间。项目根据各自所在地的地震风险，采用了不同的抗震等级，以确保建筑在地震情况下的安全性。混凝土强度等级范围从C25到C45，以满足不同项目的结构要求。

2 大开间结构设计方案

2.1 短肢剪力墙结构方案

短肢剪力墙是一种在高层住宅大开间结构设计中常见的结构类型，其主要特点是在建筑的短边墙上设置剪力墙，最大限度减小侧向位移，以增强建筑的抗侧向荷载性能。剪力墙的布局需要根据建筑的几何形状和荷载分布进行优化。结构的竖向刚度应实现均匀变化，具体而言，应使上部刚度略小于下部，以确保结构的整体稳定性。此外，应避免采用不规则的竖向结构布置，以确保结构的一致性和可靠性。在设计短肢剪力墙时，应尽量避免采用单一形式的一字形墙肢，短肢剪力墙结构方案如图1所示。

图1 短肢剪力墙结构方案

短肢剪力墙的墙厚设计为200mm，但在某些部位可取250mm。墙肢的长度通常取墙厚的5～8 倍，并可以采用T型、L型等不同形式的布局。客厅大开间的楼板厚设计为130mm，挑檐楼板厚为150mm，上人屋面板厚为120mm，阳台板厚为80mm，其他房间板厚100mm。混凝土等级方面，1～2层的剪力墙采用C40混凝土，3～5层选用C35 混凝土，6～12 层为C30 混凝土，而13～18 层的剪力墙则采用C25 混凝土；梁混凝土等级，1～5 层选用C30混凝土，6～18层为C25混凝土；楼板混凝土等级为：1～5层采用C30混凝土，6～18层采用C25混凝土。主梁的截面宽度统一取200mm，截面高度范围为300mm～600mm；次梁的截面宽度取200mm，截面高度范围为250mm～500mm。

2.2 剪力墙结构方案

剪力墙结构方案的核心是使用剪力墙作为主要抗侧向荷载的承载元素，以确保建筑在地震和风荷载作用下的稳定性和安全性。剪力墙分布在建筑的核心区域，以最大限度减小侧向位移，需要考虑建筑的几何形状、荷载分布和结构布局来确定剪力墙的位置和数量。剪力墙的布局应确保在整个建筑中均匀分布，以提供均衡的抗侧向性能。墙肢的布置应自下而上对齐，成列排列，避免刚度差异过大。剪力墙的形状应尽量采用L 型或T 型，而门窗洞口的布置则宜上下对齐，排列整齐，以确保墙肢和连梁承受力的分配明确[2]。剪力墙结构方案如图2所示。

图2 剪力墙结构方案

剪力墙的墙厚设计为200mm，但在某些部分可选择300mm 的墙厚。墙肢的长度应为墙厚的5～8 倍，可采用T型、L型等不同形式的布局。客厅大开间的楼板厚设计为130mm，挑檐楼板厚为150mm，上人屋面板厚为120mm，阳台板厚为80mm，其他房间板厚100mm。混凝土等级的选择同短肢剪力墙方案。

2.3 框架-剪力墙结构方案

框架-剪力墙结构方案结合了框架结构和剪力墙结构的设计，综合利用了两种结构类型的优点，提供良好的抗侧向性能和结构稳定性。框架-剪力墙结构方案的设计中，在建筑的核心区域设置剪力墙，并在建筑的外围使用框架结构，将剪力墙的抗侧向性能与框架结构的灵活性和开放性相结合[3]。

框架-剪力墙结构通常采用双向抗侧力体系，在抗震设计方面，必须在两个主轴方向都设置剪力墙，以确保结构的稳定性。梁应尽量与柱和剪力墙的中线对齐，最好不超过柱宽度的1/4偏心距。剪力墙的布置需要均匀分布，较长的剪力墙可以考虑分成双肢墙或多肢墙，但单个墙肢的长度不宜超过8m。带有梁柱的周边边框剪力墙，同时在纵横向的剪力墙之间采用L、T、口形等形式的连接，以提高剪力墙结构的刚度和抗扭能力。剪力墙应尽量贯穿整个建筑高度，并且墙的厚度应逐渐减小，以避免刚度突变。框架-剪力墙结构方案如图3所示。

图3 框架-剪力墙结构方案

剪力墙的墙厚设计为200mm，但在某些部分可取300mm。框架柱的截面尺寸包括300mm×300mm、300mm×450mm、300×500mm 和300×600mm。楼板厚度、梁截面、混凝土等级的选择同上。

3 大开间结构性能分析

3.1 性能分析参数

（1）分析计算软件，采用SATWE软件。

（2）荷载取值，如表1所示。

表1 荷载取值

（3）有关系数取值如表2所示。

表2 性能有关系数取值

3.2 振型分解反应谱法对比分析

通过分析计算软件得出三种方案下的各类对比数据如表3所示。

表3 不同设计方案下的对比数据

由表3可知，三种方案均满足相关规范的限值设计要求，地震倾覆力矩占比方面，短肢剪力墙结构最优，框架-剪力墙结构最差；周期比可反映出抗扭性能，短肢剪力墙结构最优，剪力墙结构最差；位移比可反映出刚度性能，剪力墙结构最优，短肢剪力墙结构最差；此外，刚重比、最小刚度比、最小剪重比、最大轴压比等参数均符合规范要求，三种方案差异不大。三种方案均满足结构安全性和稳定性，具体性能参数各有优劣。

3.3 弹性时程对比分析

选取TH2TG03 天然地震波，分析振型分解反应谱[4]，分析起始周期为0.01s，终止周期为6s，步长为0.02s，特征周期为0.27s，峰值加速度为21cm/s²。地震波的波形如图4所示。

图4 TH2TG03天然地震波

通过分析计算软件得出三种方案在地震波作用下的对比数据如表4所示。

表4 不同设计方案在地震波作用下的对比数据

由表4可知，短肢剪力墙结构方案的各项性能参数较差，剪力墙结构方案的各项性能参数最优，框架-剪力墙结构方案的各项性能参数介于二者之间。三种方案的各参数均满足相关规范要求。

4 大开间结构经济性分析

在保证建筑结构的刚度、强度、稳定性和抗震性能基础上，经济性也是衡量设计方案的重要指标。根据2023年的市场价格指导，经济性核算的价格如下：HRB400钢筋，直径10mm以及下的价格为5125元/t，直径为12mm～25mm的价格为4980元/t；C25混凝土为550元/m3；C30混凝土为590元/m3；C35混凝土为605元/m3；C40混凝土为620元/m3。两方案的建材用量及价格如表5所示。

表5 不同设计方案的建材用量及价格

根据表5 可知，框架-剪力墙结构方案的单位面积造价为341.5元/m2,性价比最高，从经济性方面考虑，框架-剪力墙结构方案最优。

综合考虑三种方案的性能参数和经济性，在满足结构安全和稳定性的前提下，框架-剪力墙结构方案整体最优，作为推荐设计方案。

5 结语

结合实际的高层住宅工程项目，分析大开间结构设计方法，得出如下结论：

（1）通过振型分解反应谱法对比分析了短肢剪力墙结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构三种方案，各项性能参数均符合相关规范要求。

（2）通过弹性时程对比分析三种结构设计方案，三种方案的各参数均满足相关规范要求，剪力墙结构方案的各项性能参数最优，短肢剪力墙结构方案的各项性能参数较差，框架-剪力墙结构方案的各项性能参数介二者间。

（3）在满足结构安全和稳定性的前提下，框架-剪力墙结构的单位面积造价最低，性价比最高，该方案作为推荐设计方案。