淺談剪力墻結構優化設計

摘要：隨著我國建筑行業的迅速發展，高層建筑物對于剪力墻結構設計的要求越來越高。剪力墻結構作為我國高層建筑的首選結構形式，越來越受到人們的重視，對其進行優化設計就顯得尤為重要。本文通過工程實例對剪力墻結構優化設計進行了全面的闡述。

關鍵詞：剪力墻；特點；優化設計；用鋼量

1 剪力墻結構體系特點

剪力墻是鋼筋混凝土高層結構中不可缺少的構件。剪力墻是截面高度大而厚度相對很小的片狀構件，其承受豎向荷載及水平荷載的能力較強，而且整體性好、側向剛度大、平面內剛度大、水平力作用下側移小，并且由于沒有梁、柱等外露與凸出，便于房間內部布置。雖然剪力墻的優點較多，但同時也存在剪切變形相對較大、平面外剛度較弱、不能為房屋提供較大開間等缺點。此外，剪力墻開洞后的形式變化較多，受力比較復雜，因而了解剪力墻的特性，發揮其所長，克服其所短，是正確設計剪力墻的關鍵。

為了承受各個方向的水平力，對于矩形平面，剪力墻在縱橫雙向均應設置；對于圓形平面，剪力墻應沿徑向及環向設置；對于三角形平面，剪力墻宜沿三個主軸方向設置。

剪力墻結構剛度很大，但剛度大小問題歷來爭議較多，通過歷次震害表明，剛度較大的結構一般震害較輕。然而結構剛度不能無限增大，因為一般情況下，建筑物剛度越大，工程造價越高，這里有個“度”的問題。對于高層建筑，控制這個度主要有兩個因素，一個是控制結構的水平位移，應使結構水平位移滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）中有關結構水平位移的限值；另一個是控制地震力，因為在地震力計算值偏小的情況下，有時也會出現結構頂部位移滿足要求、構件為構造配筋的安全假象。所以，只有剪力在合理范圍內，計算并檢查位移、內力及配筋情況才有意義。在結構設計中為了合理布置剪力墻，其底部剪力系數a= 底部剪力/ 結構自重。

在高層剪力墻結構設計中，既要發揮它具有足夠的抗側能力等優點，又要改進其工程費用較高的缺點，因此優化設計成了必不可少的手段。結合工程實踐經驗，本文對剪力墻結構優化設計方案進行了淺析。

2 設計實例

某樓盤為7 棟27 層高層住宅樓，建筑高度為71. 5 m，地下一層為連通地下停車場及設備用房的人防地下室，主樓地面以上首層為商鋪，層高5. 5m，二層以上為層高3 m 的住宅。

要求控制用鋼量地面以上不大于65 kg/ m2，經比較，7 棟高層住宅均采用鋼筋混凝土剪力墻結構。地下車度雙車環道不穿過主樓底部，地下主樓內部開間作為設備用房及停車位，所有剪力墻均直接落地。

1）結構體系及特點

由于本工程建筑高寬比大于高規要求的6 度區A 級高度剪力墻結構高寬比限值6，表明結構寬度方向剛度較薄弱，采用剪力墻結構體系很有必要。因此剪力墻的布置應注意增強結構寬度方向的抗側剛度，整體計算應注意結構寬度方向的剛度、位移、穩定性等指標滿足高規的要求。剪力墻基本按開間布置，電梯井中部隔墻采用砌塊填充墻。底部剪力墻厚度300 mm，上部200 mm，建筑高度不大于80 m，抗震等級為四級。

2）優化設計措施

剪力墻的延性設計，主要為弱化剪力墻和連梁剛度。對于存在連梁的剪力墻結構工程中，所應用的大多數都是采用普通的受彎縱向鋼筋和抗剪箍筋，這樣就導致剪力墻的延性較差；而采用斜向交叉配筋的連梁延性較好，但是因為受到條件的限制而應用較少。控制剪力墻的墻肢長度，把長墻分割成開洞（結構洞或門窗洞）連肢墻，洞頂設置跨高比大于等于5 的弱連梁，結構洞及窗臺用砌體砌筑，弱化后的剪力墻及連梁具有較輕的自重、更大的延性和抗震耗能能力，鋼筋用量也較小。

從結構設計整體布局來看，在水平荷載作用下，剪力墻邊緣構件的配筋往往是構造配筋。而邊緣構件斷面的確定與剪力墻的布置有很大的關系，因此，本工程首先調整剪力墻的布置，使之盡可能的合理對稱，這樣既增加了結構的安全性，又節省了造價。

本工程在設計過程中也對含鋼量進行了控制。為了進一步控制用鋼量，采取了梁縱筋及箍筋均采用3 級鋼、減輕填充墻荷載，并對建筑中的次要部位（陽臺欄桿和女兒墻等）采用磚砌塊砌筑，減小這些構件鋼筋用量等優化措施。通過以上幾點措施，本工程很好地控制了用鋼量，提高了經濟效益。

對于本工程的適用性而言，建筑功能上以住宅為主，建筑平面較規則對稱、地下車庫的雙車環道不穿過高層主樓底部，預期用鋼量為65 kg/ m2左右的高層住宅樓盤，可參考選擇本實例的剪力墻結構體系，并應對剪力墻進行合理布置及延性設計，可明顯減少剪力墻的用鋼量。

優化結構設計，能使結構受力均衡，相關措施應用得當，結構整體安全可靠度好，各結構構件都能同時發揮其最大作用，減少工程用鋼量等，這樣設計的結構才能達到既經濟又合理的目的。

3 結論

優化結構設計不僅是減少含鋼量，在整個結構優化設計中要注意以下3 點：

a. 在建筑的方案階段結構就應該提早介入，這一步驟十分必要。因為很多建筑設計人員對結構的概念很模糊，有時設計出來的建筑，結構處理起來很麻煩，很容易引起工程造價的偏高；因此結構應在早期介入，配合建筑完成相關設計。

b. 設計過程應有一套嚴格的管理制度。設計過程中必須控制好的關鍵環節，嚴格按照設計流程做好精細化設計。

c. 如果條件允許，設計過程中適時、適當的引入外部資源。聘請專業化的設計顧問公司，程進行工程設計的管理和結構成本的控制，將會起到很好的效果。好的結構設計不僅能給甲方降低工程成本，更可以給甲方帶來其他額外的價值。當建筑方案完成后，結構的選型和布置也存在優化與否的問題，建筑體型都有其最規則和最經濟的結構方案，因此真正的優化應該是結構設計的全過程，需要各個專業配合，如剪力墻的設置位置，框架梁柱的結構布置、是否采用輕質建筑墻體材料和輕質隔斷與水電專業配合適當減小板厚、與建筑專業配合減小墻、梁、柱截面等；應重視非結構構件的優化設計。

對建筑欄板、飄窗、女兒墻、構造柱、窗臺、挑檐、結構洞、翻邊、建筑裝飾等細部的設計不必全部采用鋼筋混凝土，可采用砌塊砌筑，利用壓頂梁、拉筋、及構造柱與主體結構的拉結，在保證非結構構件的穩定性、不影響主體結構安全性的前提下，進一步減少非結構構件的鋼筋用量。在結構設計中優化的目的是降低整個工程的造價，但絕對不是降低結構的安全儲備，而是保證結構符合現有的各種規范及相關措施的精神前提下，做到經濟合理。

在工程的設計過程中，要發揮剪力墻結構體系的剛度大、抗震性能好等優點，在很多情況下，并不是鋼筋配的越多越好，對于這一點，作為結構設計人員應該充分認識到。合格的結構設計人員應該對不同項目進行合理分析，選擇最優模型，這樣才能做到結構安全、技術合理、造價經濟。

參考文獻

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