高层住宅剪力墙结构优化设计探讨

高层住宅剪力墙结构优化设计探讨

张振峰

中天建设集团第九建设公司河南郑州450000

摘要：本文深入剖析剪力墙在高层建筑结构设计的优化要点，以结构规范为准则，总结归纳了剪力墙结构住宅在墙体布置、墙厚、钢筋配置、混凝土强度等级选择等方面的优化设计一般方法，希望能够给相关工作人员提供借鉴和帮助。

关键词：剪力墙结构；优化设计；墙体布置；经济指标

1前言

近年来，人们对建筑的需求促进了建筑行业的迅猛发展，高层建筑如雨后春笋般的涌现出来，剪力墙结构以其独特优势，成了高层建筑中应用最为广泛的结构形式之一。很多开发商为了控制设计经济指标，对建筑分类采取限额设计的方式，这无疑对设计人员提出了更高的要求。结合多年学习积累，总结出几点关于高层剪力墙结构住宅优化设计的经验，以供参考。

2剪力墙结构特点和布置原则

2.1、剪力墙结构特点

剪力墙结构是截面高度大而厚度相对很小的“片”状构件，其优点是整体性好，侧向刚度大，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，因此被广泛地应用于宾馆与高层住宅等建筑类型。但同时，由于剪切变形相对较大、平面外较薄弱等缺陷，导致剪力墙结构自身重力较大，不能提供大空间房屋。

2.2、剪力墙布置原则

剪力墙结构墙体宜沿主轴方向双向布置，平面布置应尽可能均匀，对称，尽量使结构的刚度中心和质量中心重合，以减少扭转效应。墙宜自下而上连续布置，避免刚度突变，门窗洞口宜上下对齐，成列布置，形成明确的墙肢和连梁。墙体的形状要尽量简单，以“L”和“T”形长墙为主，减少短肢剪力墙（墙肢截面的高厚比5~8）的设置。此外外墙宜尽量做成全混凝土墙体，防止外墙开裂渗水。

3建筑工程剪力墙结构设计优化措施

3.1、结构方案的选择

高层住宅层数低于20层时，可采用短肢剪力墙结构方案，这种形式的水平地震剪力、周期和位移都能够控制在合理范围内，并能减轻结构自重，有效降低工程成本。层数超过20层时，应采用长墙剪力墙结构方案，当结构刚度偏大时，可合理设置施工洞，增加结构的延性，提高剪力墙的整体抗震性能。

3.2、混凝土强度等级的选择

合理选择混凝土强度等级有以下好处：1、提高结构的经济性，减少不必要的钢筋用量；2、方便养护，避免施工开裂现象；3、避免选用混凝土标号种类过多，可以方便施工，降低不同构件间施工难度。

剪力墙混凝土强度等级一般不宜超过C40，高强混凝土不易养护，且C60混凝土弹性模量只比C40提高10%左右，对减小结构整体位移的贡献有限。

楼板和梁可采用同一强度等级混凝土，强度不宜过大。高层住宅通常板块较小，楼板多为构造配筋，采用高强度等级混凝土不但容易开裂，且相应提高最小配筋率，造成浪费。

3.3、长墙方案中应尽量避免短肢剪力墙

《高规》7.2.2条规定：“短肢剪力墙的全部竖向钢筋的配筋率，底部加强部位一、二级不宜小于1.2%…其他部位一、二级不宜小于1.0%…”，此配筋率远大于普通长肢剪力墙分布筋0.25%的规定。因此在长墙方案中布置剪力墙时应尽量避免形成短肢剪力墙。

3.4、减少边缘构件面积占比

剪力墙墙体分布筋通常按构造配置（一般直径不超过φ10）即可满足要求，而边缘构件的配筋按要求均需配置较大直径或较密间距，边缘构件配筋量占剪力墙所有钢筋的比重较大。

根据《高规》第7.2.15、7.2.16条规定，同条件下构造边缘构件比约束边缘构件配筋减少40%以上，可采取措施降低墙肢轴压比，用构造边缘构件取代约束边缘构件。由轴压比计算公式μN=N/fcA，可知两种减小轴压比的方式：（1）适当加大剪力墙混凝土强度等级，使墙体轴压比降至规定范围之内，是降低墙体边缘构件配筋的重要手段；（2）合理增加墙体截面面积，主要是指增加墙体长度，效果较为显著。

减少边缘构件的面积也是优化墙体配筋的一种措施。实际工程常有墙体形状复杂且墙肢短，边缘构件多，所配钢筋量大（见图1）。可采取以下措施：1、结构设计人员可在建筑方案阶段提出优化意见，尽量避免出现过多繁复的平面设计；2、尽量把墙体布置成“L”形、“T”形长墙，使边缘构件尽量多的采用如图2所示的情况，更为经济。

图一图二

3.5、墙厚、墙体钢筋的优化

剪力墙的厚度主要是由墙体的稳定及轴压比控制，墙厚越大，边缘构件及墙体的构造配筋就越大，墙厚一般按照规范最小值要求即可。

剪力墙墙体钢筋宜采用强度等级HRB400钢筋，可适当减少约束边缘构件钢筋用量，构造边缘构件钢筋选用最小值即可，不应随意放大。

3.6、连梁、框梁的优化

连梁纵筋不可随意放大，因连梁是抗剪为主，纵筋放大既浪费钢筋又造成结构不安全。宜减少梁的数量，有时可以避免因加梁而形成的对连梁的集中荷载及对墙体的平面外弯矩，对楼板可以适当加大厚度（建筑隔墙下不设梁时，在进行地震效应计算时，墙体荷载可平摊在砌筑墙下的板块上；在进行楼板计算时，墙体荷载按荷载规范折算）。

3.7、计算过程应控制的指标

1）位移比：《高规》3.4.5条规定在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移，A级高度高层建筑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；3.7.3条规定位移角限值1/1000，，控制在1/1100左右即可，不必刻意追求此指标；

2）周期比：《高规》3.4.5条规定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；

3）刚度比：《高规》3.5.2条规定剪力墙结构本层与相邻上层侧向刚度比值不宜小于0.9，此刚度比为考虑层高修正的楼层侧向刚度比；

另外《高规》还对轴压比，剪重比，刚重比等指标做了要求。

4结语

高层住宅剪力墙结构经济指标的影响条件有很多，包括抗震设防烈度、风压、地质等自然因素，也包括建筑高度、高宽比、平面布局等建筑因素，还有结构设计人员设计水平和责任心的因素。结构经济指标具有一定的离散型，但结构设计人员必须精心设计，尽可能达到现有条件下的最优化。

参考文献：

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

[2]JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程.中国建筑工业出版社.2010

[3]陈德举.剪力墙结构住宅的优化设计建议[J].建筑工程技术与设计，2015.7