武汉某超高层纯剪力墙结构的墙厚能效比研究

马俊，李艳梅

（武汉正华建筑设计有限公司，武汉 430014）

1 引言

随着城市核心地段的土地日益短缺，超高层建筑大量涌现，其中包括很多纯剪力墙结构的住宅项目。剪力墙结构的优点是可根据建筑功能布局，巧妙地利用内外隔墙、楼电梯间布置剪力墙，减少了砌体隔墙的砌筑，且房间内部外观较为平整，易于业主对室内空间的充分利用。JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》[1]要求三、四级剪力墙厚度不应小于160 mm，一字形独立剪力墙的底部加强部位尚不应小于180mm。而建筑物因为节能保温、防火隔音等要求，往往外墙及分户墙至少需设计为200 mm 厚，内隔墙至少设计为100 mm 厚，同时蒸压加气混凝土砌块的厚度模数多为100 mm、120 mm、150 mm、200 mm 等。故完全按JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》的最小厚度，会导致剪力墙与砌体墙在接茬处，有明显的凹凸，难以施工平齐，影响美观。另外，GB 55008—2021《混凝土结构通用规范》[2]中要求框架梁截面宽度不小于200 mm，剪力墙连梁大多数情况下需参照框架梁进行设计。若混凝土墙体较薄，对梁板的钢筋锚固作用也较差，从而抗震性能较差。基于以上种种原因，剪力墙结构的墙厚，多以200 mm为基本厚度。

2 工程概况

本工程位于武汉市主城区长江边，建筑功能为纯住宅。位移计算时，基本风压按50 年重现期，W0=0.35 kN/m2，地面粗糙度为B 类。根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016年版）[3]，抗震设防烈度为6 度，丙类设防，场地类别为Ⅲ类，地震影响系数最大值为0.055，剪力墙抗震等级为三级。地下2 层，地上48 层，地上首层高3.3 m，标准层及避难层高均为2.9 m，室内外高差0.3 m，建筑总高度为139.9 m。结构平面呈凸字形，两端窄中间宽。结构长度为32.6 m，宽度为17.7 m，高宽比为7.9。主体采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构，属A 级非超限高层建筑。

3 结构的能效比

结构的能效比是指结构消耗的材料量与对结构刚度贡献大小的比较，具体可以用结构的含墙量（所有层剪力墙的体积与总建筑面积之比）与结构刚重比的比值来定义。对于同一建筑，不同的结构布置情况下，能效比指标越小则布置更优。设计时可以从以下两个方面来控制：一是结构设计参数，可以用弹性层间位移角和结构整体刚重比来反映结构的刚度；二是整体造价经济性和适用性，可用含墙量和墙地比（标准层剪力墙的投影面积与本层建筑面积之比）来量化结构的材料消耗。

本工程设计的重难点是如何在满足整体结构刚度的情况下，使钢筋混凝土材料的使用量最小，从而达到节能减排，节约整体造价，实现结构设计的更优能效比目标。

4 剪力墙结构的受力特点

剪力墙结构的空间整体性较优，整体侧向变形的位移曲线呈典型的弯曲型。可用较小的截面厚度，抵抗较大的水平荷载和竖向荷载，故而在超高层住宅建筑中被大量使用。本工程受建筑方案的限制，X向外侧剪力墙开门窗洞较多，剪力墙较短且分散；Y向能对齐的剪力墙较少，不利用整体抗弯刚度的充分发挥。单片典型的剪力墙截面参数如图1 所示。

图1 典型的剪力墙截面示意

其抗侧移刚度可以参考傅学怡的著作[4]，按式（1）估算：

式中，EJd为剪力墙的抗侧移刚度；EIq为截面的弯曲刚度；β 为墙开洞的刚度折减系数；b、h分别为截面的腹板厚度和高度；m、n分别为截面形心到两个翼缘形心的距离；A1、A2分别为两个翼缘的面积。

由式（1）可知，若需提高剪力墙整体抗侧移刚度，首先要增加剪力墙的长度，尤其是能对齐的长墙，其次是增加有效翼缘的面积。剪力墙的基本厚度常为200 mm 厚，故优先把能和隔墙重合的剪力墙做到最长。另外，建筑外圈的剪力墙连梁在遇到飘窗时，可以上翻做到约1 100 mm 高。为了获得更高的净空，内部连梁和框梁的高度通常控制在500 mm 以内。剪力墙混凝土等级一般最大用到常见的C60，墙厚为200 mm 时轴压比大部分满足规范限值要求，少量根据需求要加厚到250 mm。若此时结构整体指标还不能满足弹性层间位移角限值1/1 000的要求，就需要考虑对剪力墙进行加厚设计了。

5 剪力墙的加厚设计

5.1 加厚的方式

剪力墙加厚的主要方式有Y向剪力墙整片加厚或加厚X向外侧剪力墙翼缘。为了比较各种加厚方式的能效比，用盈建科（YJK）结构分析软件进行试算对比。本工程共进行了以下3种结构布置方案试算，结构布置如图2 所示。

图2 剪力墙布置及加厚示意

5.2 结构布置介绍

布置一：加厚所有Y向剪力墙（示意略），从200 mm（局部250 mm）加厚到250~300 mm。根据墙长来区分，墙能对齐且较长的墙加厚到300 mm，较短的单片墙可加厚到250 mm；因建筑户型设计得较为紧凑，此布置对开间较小的厨房、卫生间等房间的净尺寸有一定影响。

布置二：加厚所有外侧剪力墙（图2 中点状线示意），除两端山墙厚度为350 mm 外，其余外侧厚度均为300 mm；内部除了轴压比不满足需要加厚的个别剪力墙外，均按200 mm 的基本厚度设计。此布置对内部建筑功能的使用影响较小，业主较易接受。

布置三：根据剪力墙对抗侧移刚度贡献的大小进行精细化的加厚设计，成果见图2 中虚线框示意。经过多次试算对比，矩形框内的剪力墙厚度为400 mm，云线框内的为300 mm厚，椭圆框内的为250 mm 厚，内部剪力墙的设计厚度同布置二。此布置使建筑的门窗洞口变得较厚，对视觉感官上有一定的影响；但房间一般进深大于开间，故对房间实际功能使用影响较小。

这里重点介绍下布置三的加厚方式在YJK 上的实现方式。由于本工程抗侧移刚度是由Y向风荷载下的层间位移角控制，故抗风设计尤为重要。但在正常风荷载工况下，软件计算得出的剪力墙的配筋均为构造或者计算值较小，难以区分每片剪力墙的抗弯刚度的大小。

下面介绍一种结构试算方法：可以先在结构模型参数中把基本风压人为放大5~10 倍进行试算，在计算结果中查看每片墙的抗弯配筋数值（若出现截面超筋的情况可不用处理）。此时配筋数值较大的剪力墙抗弯刚度较大，对抗侧移的贡献也较大。实际工程设计时，可着重对这些配筋数值较大的剪力墙进行加厚处理。

6 剪力墙加厚的指标分析

6.1 计算指标

本文主要采用了结构顶点最大弹性水平位移、最大层间位移角、最小刚重比、墙地比、含墙量的指标进行分析比较，体现结构的能效比指标。计算整体指标时，从地下室顶板嵌固端算起，未考虑地下室的影响。经过试算，不同加厚方式的结构布置计算指标汇总如表1 所示。

表1 结构计算指标汇总

6.2 指标分析

3 种结构布置在风荷载工况下，Y向的结构顶点最大弹性水平位移相差不大，最大值与最小值差别在5%以内。根据规范[1]，对于整体呈弯曲变形的超高层剪力墙结构，可将结构的侧向刚度近视简化折算为竖向悬臂受弯构件的等效侧向刚度。假定风荷载工况下倒三角形分布荷载的顶端最大值为q，在该荷载作用下结构顶点质心的弹性水平位移为Δ，建筑总高度为H，则结构的弹性等效侧向刚度EJd可按式（2）计算：

由式（2）可以得出，在风荷载和建筑总高度一定的情况下，结构弹性等效侧向刚度与顶点位移Δ 成反比。由表1 可知，布置二最优，但相差极小。

在风荷载工况下，3 种结构布置的最大弹性层间位移角均控制5%的富余量，保证了结构均有良好的刚度同时兼顾结构造价的经济性。作为结构侧向刚度的参考指标，3 种结构布置的差异基本可忽略。

另外，3 种结构布置的最小刚重比差异不大，均满足规范1.4 的限值，布置三最优。较大的刚重比可防止在风荷载或地震荷载作用下，水平位移过大，从而使重力荷载产生的二阶效应就越小，避免引起结构的失稳及倒塌。

结构的墙地比与含墙量指标，分别反映了业主使用的舒适性及结构造价的经济性，两个指标为线性比例关系。墙地比越大，意味着剪力墙占地面积越大。虽然建筑户型的产权面积相同，但业主可使用的净面积却变小了，从而导致居住体验感较差；另外，墙地比越大，竖向承重构件与砌体隔墙的比值就越大，业主在后期装修过程中，对房间进行改造的可能性越小。以上因素可能会导致某楼盘产品在市场上的口碑较差，销售情况不佳。

而结构的含墙量越高，混凝土及钢筋的消耗也就越大，模板费、人工费、机械台班费等间接费用就越贵。而超高层剪力墙结构中，混凝土剪力墙的材料消耗量往往占整个地上混凝土结构构件的一半以上。所以，要控制结构的含墙量，其对结构造价的影响较大。另在水泥烧制和钢材冶炼过程中，需要大量的能源消耗，而且会产生较多的废弃物和碳排放。因此，结构设计需响应国家倡导的发展绿色低碳建筑政策，从建筑全生命周期的各环节入手，采取节能降碳措施。

3 种结构布置的墙地比与含墙量指标的差异还是比较可观的，方案一比方案三增加约9.2%。从表1 可以得出，布置三的能效比最优，故舒适性及经济性指标更佳。本工程最终按方案三进行设计施工，建成后取得了良好的口碑和较优的经济指标。

7 结语

由以上的分析可以得出，在满足各项结构计算指标的前提下，精细化地进行剪力墙加厚设计，可以增加业主使用的舒适性，降低项目的工程造价。同时使减少建筑材料的消耗，达到节能减排的目的，从而使结构的能效比更优。