肖　雷（安徽省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，安徽　合肥　230022）

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淺談高層剪力墻住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

肖雷（安徽省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，安徽合肥230022）

剪力墻結(jié)構(gòu)在高層建筑中能夠很好的維持建筑本身的穩(wěn)定性，且增強了建筑物的抗震能力，是設(shè)計高層建筑至關(guān)重要的組成部分。本文詳細分析了高層剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則和結(jié)構(gòu)布置，并通過一個實際的案例提出了相對應(yīng)的剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。

剪力墻；優(yōu)化設(shè)計；結(jié)構(gòu)布置；設(shè)計原則；實際案例

1　引言

為滿足經(jīng)濟和科技等各方面的不斷發(fā)展和人們生活水平提高而對土地的大量需求，我國對住宅產(chǎn)業(yè)政策和土地政策進行了相應(yīng)的調(diào)整，促進了房地產(chǎn)市場的高空化發(fā)展，使得高層高容的住宅小區(qū)層出不窮。房地產(chǎn)開發(fā)商需要對成本進行控制，各種高層剪力墻結(jié)構(gòu)中最經(jīng)濟實惠的則是鋼筋混凝土剪力墻。在保證建筑安全和功能完備的前提下，為了能將有限的資源實現(xiàn)最優(yōu)配置，結(jié)構(gòu)工程師需要面對巨大的挑戰(zhàn)，這也是結(jié)構(gòu)工程師關(guān)注的焦點。

2　剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

傳統(tǒng)的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計原則主要具有三點：①經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)總造價；②達標的抗震抗風能力，以及能夠充分抵抗水平荷載；③結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，能夠使材料的力學性能得到充分發(fā)揮。本文在以上三點原則的基礎(chǔ)上，對剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了優(yōu)化，如下：

（1）剪力墻的數(shù)量合理，剛度適宜。主要取決于兩個因素：①控制地震力，這是為了避免在發(fā)生結(jié)構(gòu)頂點位移時，偏小的地震力計算值會造成與構(gòu)造配筋要求匹配的假象；②剪力墻控制結(jié)構(gòu)水平位移的值是有限的。

（2）為了減少短、小肢墻的數(shù)量，而盡可能多的使用普通的剪力墻。高層剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度是由它的側(cè)向剛度所決定的，為了加長墻肢長度而將兩端與翼墻相連在一起，這樣能夠減少短、小肢墻的數(shù)量。

（3）對墻肢長度的差異進行控制。減小墻肢在長度方面的差異，使得地震作用力能夠在各片剪力墻中均勻分配，充分發(fā)揮各片剪力墻的作用，使結(jié)構(gòu)剛度均勻，避免墻肢超筋，有效抵抗側(cè)向荷載，所有鋼筋能夠在整個結(jié)構(gòu)中得到充分的使用。

（4）合并水平分布鋼筋和短肢墻中的箍筋。所占范圍較大的約束邊緣構(gòu)件是由截面高度較小的短肢剪力墻造成的，在合理范圍內(nèi)設(shè)置拉筋和箍筋，會造成箍筋和水平鋼筋的重疊，從而浪費了材料，所以需要對拉筋和箍筋的數(shù)量進行合理的設(shè)置，合并水平分布鋼筋和箍筋。

（5）在對剪力墻的開洞時需要采取適當?shù)奶幚矸椒?。門窗洞是高層剪力墻結(jié)構(gòu)中的必要且基本的部分，除此之外，還需要對結(jié)構(gòu)洞通過方案調(diào)整和結(jié)構(gòu)布置來進行設(shè)置。為了能夠?qū)⒓袅Φ淖饔贸浞职l(fā)揮，需要通過合理的設(shè)置長墻來降低結(jié)構(gòu)洞的個數(shù)；而為了剪力墻結(jié)構(gòu)能夠合理受力，應(yīng)盡量設(shè)置長度均勻的墻肢，這樣使得地震作用力可以均勻的作用在每片剪力墻上。

3　結(jié)構(gòu)布置

3.1剪力墻布置

在標準的高層住宅建筑中，剪力墻部位不同單位面積也具有不同的含鋼量，例如邊緣構(gòu)件用鋼量所占單位面積在總用鋼量的30～50%之間、墻身用鋼量所占比例大約是45～65%之間，由此可知所布置的剪力墻的質(zhì)量對整個結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟指標具有很大的影響。布置剪力墻的原則：減少墻肢布置中的邊緣構(gòu)件和剪力墻的數(shù)量，這樣使抗側(cè)力構(gòu)件的布置數(shù)量減少，但同時獲得的抗扭剛度和抗側(cè)剛度能夠滿足規(guī)范要求。具體措施為：

3.1.1弱中部，強周邊

在建筑結(jié)構(gòu)周邊的外圍處增加對剪力墻的布置，而為了加強剛度，在對高連梁進行設(shè)置時可以使用房間的窗臺。在建筑結(jié)構(gòu)的中間部位，為了抗扭剛度在主體結(jié)構(gòu)中增加，可以適當減少布置剪力墻；為了增強建筑外墻防水效果，可以控制結(jié)構(gòu)的位移比例和周期比例。

3.1.2減少短墻，增加等長長墻

在確保水平和垂直兩個方向的承重前提下，設(shè)置剪力墻時，需要選擇對結(jié)構(gòu)的垂直和水平荷載承受有利的隔墻位置，而將剪力墻之間的布置距離增大，是為了以防將多個剪力墻布置在小距離間。為了減少邊緣構(gòu)件數(shù)目，加大結(jié)構(gòu)整體方面的抗側(cè)剛度，需要控制剪力墻的個數(shù)，拉大其墻肢長度；且建筑平面的布置增加了靈活性是由于拉大了墻間距所實現(xiàn)的。

3.1.3減少復雜墻肢，增加簡易墻肢

小墻垛布置和剪力墻的連續(xù)轉(zhuǎn)折會增加邊緣構(gòu)件，所以需要在布置剪力墻時對這兩方面進行考慮，除了必須在因墻體轉(zhuǎn)折位置上布置的暗柱，應(yīng)盡量避免對其他暗柱的布置。

3.1.4少半框，多連續(xù)

通過框架梁和連梁將結(jié)構(gòu)方向不同的剪力墻盡量連成整體，這樣可以形成的抗震、抗風結(jié)構(gòu)能夠貫穿整個結(jié)構(gòu)長度或?qū)挾龋瑫苊獬霈F(xiàn)半框架和獨立的墻肢，能夠有效地增加剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。

3.1.5沿高度均勻變化

剪力墻厚度應(yīng)均勻變化，且受到結(jié)構(gòu)高度變化的影響，不宜僅在高層底部設(shè)置剪力墻，所以為了使得高層建筑能夠適應(yīng)垂直方向和凈面積的承重要求，需要在底部大量布置厚度為20cm的剪力墻，而如果為了降低成本而在上部減少布置剪力墻的數(shù)量，這樣會增大層剛度的變化，既不利于抗震也不會達到經(jīng)濟的效果；在底部設(shè)置厚度和數(shù)量合理的剪力墻，不僅使得底部大層高的要求得到滿足，還能夠避免為了確保墻體穩(wěn)定而對墻厚增加的情況。

3.1.6各墻肢軸壓比盡量相等

考慮到垂直方向的荷載情況，剪力墻的墻肢軸壓比應(yīng)該盡量無限接近其對應(yīng)剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震等級軸壓比的限制值，這樣可以避免了對各墻肢軸向變形差的調(diào)整而導致的配筋困難、增加梁配筋數(shù)量的情況，減少了剪力墻結(jié)構(gòu)自重和布置數(shù)目，使得每個剪力墻都能夠充分發(fā)揮在垂直方向的承載作用，避免了垂直方向的力因為梁構(gòu)件出現(xiàn)塑性而發(fā)生重分布的情況，保障了剪力墻結(jié)構(gòu)的安全性。

3.2梁板布置

在布置樓層梁的時候，需要確保樓層梁具有簡單明確的傳力路徑，這樣就可以對多次傳力、多重次梁的情況進行避免。梁的經(jīng)濟跨度需要控制在3～5m之內(nèi)；如果對連接一字形墻和剛度沒有要求，則不需要設(shè)置高連梁，這是由于梁高與混凝土用量是成正比的狀態(tài)，高連梁會使得構(gòu)造配筋的數(shù)量增多。如果對剛度沒有要求，不需要設(shè)置厚度在350～400mm內(nèi)的厚剪力墻，這樣能夠?qū)炷劣昧亢土簶?gòu)造配筋量有所減少，可以省下空間來使得其他建筑功能的要求得到滿足。3.6m以內(nèi)的較小跨度板上需要開洞口或設(shè)置隔墻的時候，洞口邊緣和隔墻位置處不能夠設(shè)置梁，但是可以將加強筋設(shè)置在板內(nèi)，以此來避免設(shè)置梁而發(fā)生的受力復雜情況，以及設(shè)置梁造成的構(gòu)造配筋導致的用鋼量增加情況的發(fā)生。

如果在結(jié)構(gòu)角部需要對轉(zhuǎn)角窗進行設(shè)置，則將窗臺寬度相同的端柱設(shè)置在窗端，樓板的上下窗之間的高度可以設(shè)置為轉(zhuǎn)角梁的高度，對上下方位的窗臺板進行加厚處理，這樣就可以使得端柱和ㄈ字梁形成抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)能夠傳遞剪力和彎矩，大大改善了結(jié)構(gòu)的抗震性。

4　實例分析

4.1工程概況

本文實例是地上是四十六層、地下是兩層的建筑，總體高度達到了144.2m，如圖1所示為標準層的結(jié)構(gòu)平面圖。此建筑結(jié)構(gòu)具有Ⅶ度的抗震設(shè)防烈度，50年的使用年限，地震分組為第三組，0.1g為設(shè)置的基本地震加速度，將抗震設(shè)防類別設(shè)置為丙類，場地類別為Ⅱ類；設(shè)置具有抗震等級為一級的剪力墻，基本風壓力為0.35kN/m2，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，地面粗糙度為B類。內(nèi)部剪力墻厚度參數(shù)設(shè)置為：20層以下是35cm，30cm；20～34層是25cm，20cm；34層以上是20cm。外圍剪力墻厚度參數(shù)設(shè)置為：20層以下是 40cm，20～34層是30cm，34層以上是25cm。墻和柱的凝土強度等級參數(shù)設(shè)置：8層以下是C60，8～22層是C50，22～33層是C40，33層以上是C30。板和梁的凝土強度等級參數(shù)設(shè)置為C30。HRB335級鋼筋用在墻和柱的主筋上，HRB400級鋼筋用在板和梁上，HPB235級鋼筋用在分布筋上，HRB335級鋼筋用在箍筋上。按照相應(yīng)規(guī)范對使用荷載進行取值，加氣混凝土砌塊用在隔墻部位。本文所選取的建筑是超限高層的B級高度建筑，施工前專項審查其超限高層的指標均符合規(guī)范要求。

4.2經(jīng)濟指標

本工程按照4.1節(jié)的參數(shù)設(shè)置進行剪力墻設(shè)計，其中鋼筋的用量如表1所示，混凝土的用量是0.36m3/m2。由此可以看出，本工程的用鋼量指標和混凝土用量指標因為經(jīng)濟而可以得到業(yè)主的認可。

4.3經(jīng)濟分析

本工程中的各部位鋼筋用量在總用鋼量中的比例為：非加強區(qū)：墻身為0.205，板為0.162，暗柱為0.327，梁為0.306，合計為0.532。加強區(qū)：墻身為0.182，板為0.115，暗柱為0.485，梁為0.218，合計為0.667。

圖1　標準層的結(jié)構(gòu)平面

表1　鋼筋用量（單位：kg/m2）

由以上數(shù)據(jù)可知，高層剪力墻結(jié)構(gòu)中的具有較高份額的鋼筋用量，主要是以暗柱鋼筋用量為主，所以在對剪力墻設(shè)計過程中，需要盡量減少暗柱的設(shè)置數(shù)量，且由于用鋼量的敏感性而不能隨意增加配筋量。

5　結(jié)束語

高層剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化需要按照相應(yīng)的原則，不能盲目設(shè)計，需要充分發(fā)揮材料的性能，盡量設(shè)計節(jié)約資源的方案。對結(jié)構(gòu)中的重點部位需要按照實際情況達到精準的計算分析，并對矛盾分歧與業(yè)主進行溝通，達到安全、經(jīng)濟和高質(zhì)量的要求，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標。

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肖 雷（1971-），女，高級工程師，大專，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

TU973+.16

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2095-2066（2016）11-0139-02

2016-3-8