浅论高层住宅剪力墙结构优化设计

谭檀檀

摘要：本文通过对某高层住宅建筑的结构设计实例，分析了高层建筑剪力墙结构的概念设计对优化设计的重要性.剪力墙结构是民用高层建筑住宅的主要形式，它具有刚度大，整体性好，用钢量较省的特点.

关键词：剪力墙；高层建筑；结构设计

1概述

我国高层住宅建筑大多是钢筋混凝土结构，结构体系分框架、剪力墙、框架一剪力墙三大结构体系，在高层建筑的整个建造环节，建筑结构部分在整个建筑中的比重最大，约占整个工程造价的60%，合理优化结构将会降低工程造价。

2剪力墙结构特点

剪力墙结构是用钢筋混凝土墙来代替框架结构中的梁柱，能承担各类荷载引起的内力，并能有效控制结构的水平力，这种用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构称为剪力墙结构，以便与一般承受垂直载荷的墙体相区别。剪力墙承受竖向荷载及水平荷载的能力都较大。其特点是整体性好，侧向刚度很大，变形小，既承重又围护，水平力作用下侧移小，并且由于没有梁、柱等外露与凸出，便于房间内部布置。缺点是剪力墙的间距一般为3-8m，使建筑平面布置和使用要求受到一定限制，不能提供大空间房屋，结构延性较差。

剪力墙结构中墙与楼板组成受力体系，缺点是剪力墙不能拆除或破坏，不利于形成大空间住户无法对室内布局自行改造。短肢剪力墙结构应用越来越广泛，它采用宽度（肢厚比）较小的剪力墙，住户可以一定范围内改造室内布局，增加了灵活性，但这是以整个结构受力性能的降低为代价的（虽然有试验和研究表明这种降低幅度较小）。目前，纯剪力墙结构造价高，施工困难，耗钢量极大，所以往往因为建设单位的制约，结构抗震设计于成本而不得不降低标准。

3剪力墙优化设计

3.1抗震优化设计

高层剪力墙结构底部的底层刚度与上部刚度之间的差距过大，一旦发生地震，会引起底部出现突出的弹塑性集中变形，造成剪力墙结构严重破坏。一定要严格控制剪力墙结构的底部刚度与上部刚度之比，根据对抗震的要求，合理设计剪力墙结构，保证经济性。

3.2结构设计优化

在剪力墙结构中，剪力墙适合沿主轴方向或其他方向双向布置，形成空间结构。对于20层以下的高层住宅，采用短肢剪力墙结构。短肢剪力墙体系是在传统剪力墙体系通过开设一定数量的结构洞而形成的。这种结构保持了较好的抗震性能。对于一些连梁，由于断面较大，需要加大短肢墙与连梁的线刚度比，同时增大连梁的跨高比，避免连梁发生剪力破坏。20层以上的高层住宅，传统的全现浇剪力墙是最好的选择。由于20层以上的建筑中，如果仍采用短肢剪力墙结构，会出现结构较柔，结构顶点位移和层间位移不一定满足规范要求，底部剪力系数也变低等问题，结构不安全。有时，采用全剪力墙体系通过将较长的墙肢开设结构洞或将窗台改为其他砌体等措施来解决结构刚度计算值偏大的问题。

4、控制建筑结构成本的措施

控制成本的措施可归纳为以下几点：

4.1采用轻质高强材料

隔墙尽可能采用轻质墙体，如加气混凝土砌块、轻质墙板等，以减轻荷载，减小地震作用，降低基础造价。暗柱、梁、板采用高强钢筋，以减少计算配筋量。

4.2精心的荷载清理

如有大量的门、窗洞口，其墙体荷载可以扣除，明确建筑使用功能以确定活荷载，去掉不必要的荷载。

4.3合理的结构布置和精细的计算1）在保证竖向及水平承重情况下，尽量拉大剪力墙的布置间距；2）剪力墙厚度沿结构高度均匀变化；3）剪力墙之间应有梁连接，避免独立悬臂墙肢及半框墙肢的出现；4）剪力墙的轴压比尽量接近规范限值，以减少剪力墙布置量及结构自重；5）在布置剪力墙时，应考虑剪力墙转折及小墙垛布置对边缘构件的影响，以避免不必要的大暗柱设置；6）连接较厚剪力墙的框架梁及连梁的宽度不一定同墙厚，该做法会给建筑功能带来益处；7）在仅考虑竖向荷载的情况下，各剪力墙的轴压比应基本接近，以避免通过连梁来调整各墙肢的轴向变形差；8）层间位移角尽量靠近规范限值1/1000。

4.4严格按计算结果及构造要求配筋

模型荷载都准确无误的情况下严格按计算结果配筋，不盲目放大（尤其对剪力墙），可保证结构安全。

5、高层住宅剪力墙结构节材分析与设计

5.1材料用量的合理范围

结构设计的原则是“安全、适用、经济、美观＂，结构设计在满足结构安全以及满足建筑使用功能的前提下，应最大限度地追求结构的经济性。设计阶段，材料用量往往作为结构经济指标的评价标准。高层住宅剪力墙结构的结构材料主要包括钢筋和混凝土，结构成本经济性评价指标一般以单位面积用钢量为主，单位面积折算混凝土厚度为辅。

影响结构材料用量的因素众多，其中对高层住宅剪力墙上部结构影响较大的因素有地震设防烈度、场地类别、基本风压、建筑高度、建筑层高、结构规则性以及结构设计人员的主观因素等。由于过去十来年我国基础建设展现出迅猛发展的状态，全国大小设计单位如雨后春夢般萌芽、发展壮大，结构从业人员也随着大环境迅速发展达到过饱和状态。过快的发展使得众多设计单位技术水平参差不齐，甚至部分单位忽视了结构设计的基本原则，盲目追求结构的安全性，忽咯结构的经济性，对结构优化的意识薄弱；另一方面，我国行业相关规范规程也未对结构的经济性作出相关要求，未给出材料限额指标的相关指引，导致出现不同设计单位不同结构设计人员对同一建筑结构进行设计的经济性差距甚远的情况。近年来，由于行业竞争越趋激烈，结构的经济性得到广泛重视，行业对结构优化设计的要求也越来越高。

5.2合理设计剪力墙边缘构件

我国规范明确规定剪力墙两端及剪力墙洞口两侧应设置边缘构件，且应满足相关构造措施。剪力墙宜在合理范围内尽量设置较长的墙肢，以增大单片墙肢的抗侧能力，减少剪力墙墙肢数量，使边缘构件数目减少。剪力墙若能合理布置，截面合理，高宽比在规范规定的适用范围内的结构，其剪力墙配筋通长由构造配筋控制，而不是内力控制配筋，这样剪力墙的边缘构件及墙身分布钢筋基本可按最小配筋率配置，可有效降低剪力墙的钢筋用量。

6、结束语

虽然《高层建筑混凝土结构技术规程》、《建筑抗震设计规范》等都给出了剪力墙的相关标准，但相对较简单，在实际工程设计时，设计阶段在项目成本控制中起着决定性的作用，而现阶段由于设计单位设计项目多，设计人员繁忙，多数项目的设计存在着优化空间。优化设计是建设方的追求，也是设计方的追求，在建筑领域应用优化设计，不仅可行，而且十分符合节约能源，保护环境的可持续发展观。结构优化设计作为一种基于计算机的快速自动设计过程，可以在满足规范约束条件下得出优化的设计方案，降低成本造价，提高结构性能，增大使用空间，缩短施工工期，是设计者追求的终极目标。

参考文献：

[1]JGJ3-2002，高层建筑混凝土结构技术规程．中国建筑工业出版社，2002．

[2]GB50011-2010，建筑抗震设计规范．中国建筑工业出版社，2010．

[3]沈蒲生．高层建筑结构设计．中国建筑工业出版社，2006．

[4]方鄂华．高层建筑钢筋混凝土结构概念设计．机械工业出版社，2004．

[5]JGJ3—2002高层建筑混凝土结构技术规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，2002.