高層剪力墻結構的優化設計

秦東

摘 要：本文針對剪力墻結構的特點，對剪力墻結構進行概念分析，總結出剪力墻結構的設計要點和結構設計優化的思路，列出了剪力墻結構的一般經濟指標。剪力墻結構經過優化設計，可以提升結構設計的品質，降低工程造價，達到技術性和經濟性的統一。

關鍵詞：剪力墻；優化設計；經濟分析

前 言

建筑結構優化計，是采用合理的結構體系和方案，在滿足各種規范的條件下，選出的最可靠，經濟的設計方法。經過優化后的結構設計，可使建筑工程總造價降低10～35%，這筆隱形的利潤總額非常巨大，對于減少項目投資、增加企業利潤、提高資金周轉率等都有幫助，具有巨大的經濟價值。

鋼筋混凝土剪力墻可進行靈活布置，結構側向剛度大，連梁具有很好的耗能性能，因而在民用建筑（主要用在高層住宅）中廣為采用，剪力墻結構的優化設計有著十分重要的意義。

1 剪力墻結構概述

剪力墻結構是以剪力墻及因剪力墻開洞形成的連梁組成的結構。剪力墻結構用鋼筋混凝土墻來抵抗豎向荷載和水平力，其變形特點為彎曲型。現澆的鋼筋混凝土剪力墻結構整體性好，側向剛度大，承載力大，在水平力作用下側移小，抗震性能好。

剪力墻結構中，墻體除承受沿其平面作用的水平剪力和彎矩外，還承擔豎向壓力，是在軸力、彎矩和剪力的復合狀態下工作。其受水平力作用下類似一個底部嵌固于基礎上的懸臂梁，在地震作用或風荷載作用下，剪力墻除滿足剛度強度要求外，還須滿足非彈性變形反復循環下的延性，能量耗散和控制結構開裂而不倒的要求，墻肢必須能防止墻體發生脆性剪切破壞，設計時應將剪力墻設計成延性彎曲型剪力墻。

2 剪力墻結構的優化

剪力墻結構的優化設計，應從概念階段入手，將結構水平位移和地震力控制在合理的范圍之內，然后檢查結構的內力和配筋，對重點部位的配筋進行單獨的分析，最終確定合理的含鋼量。

剪力墻結構在概念階段的優化，要從總體上合理布置剪力墻的位置，確定剪力墻的數量、長度、厚度，以“周邊、對稱、成對、封閉”的原則去布置剪力墻，可以得到較大的平面剛度和抗扭剛度。具體實施時，應采用以下措施：強周邊、弱中部；多均勻長墻，少短墻；多L形，T形、十字形墻肢，少復雜形狀；沿高度均勻變化；各墻肢軸壓比接近并盡量靠近相應結構抗震等級軸壓比限值。在確定剪力墻數量、長度、厚度時，應在設計時控制其基本自振周期，一般為0.05～0.08n（n為結構總層數）較為適宜，同時，設計時盡可能接近規范要求的層間位移角限值，如計算結果相差太多，說明剪力墻結構剛度較大，剪力墻布置數量太多，應適當減少墻體數量。《建筑抗震設計規范》GB50011-2010規定，剪力墻的墻肢長度不大于墻厚的3倍時，應按柱的有關要求進行設計，設計時應避免出現過短的墻肢，同時，墻肢過長時，相對剛度較大，其吸收的地震作用也大，因此，應盡可能使同一層內的各墻肢剛度大致均勻，使傳至各墻肢的地震作用大致均衡。在一片完整的剪力墻墻肢上開洞，雖然可以減少混凝土用量和減小側向剛度，但洞口兩側的邊緣構件以及頂部的連梁會相應的增加鋼筋用量和人工費用，一般不建議采用。結構的剛度與剪力墻長的三次方成正比，與厚度的一次方成正比，因此減小剪力墻截面厚度即可以有效減少材料用量，又不至于嚴重削弱結構的剛度。一般來講，剪力墻的設計應在滿足剛度及穩定性的前提下，盡量減薄，達到減少剪力墻材料用量節約造價的目的。

剪力墻除作為抗震構件之外，還有一個作用是作為豎向承重構件，因此，混凝土強度等級不宜過低，一般下部樓層C30～C40，上部樓層C25～C30為宜，這樣有利于減小剪力墻的截面、節省材料，減輕自重。在普通剪力墻和短肢剪力墻的判別上，除按規范要求的時為短肢剪力墻外，還需注意，通過連梁連接的兩個墻肢很短的剪力墻，因為連梁剛度很大，屬于聯肢剪力墻，不屬于短肢剪力墻，而通過跨高比很大的梁相連的兩個墻肢很短的剪力墻，每個墻肢基本上是獨立工作，屬于短肢剪力墻。L形的剪力墻，雖然有一個方向屬于短肢，只要另一個方向滿足普通剪力墻的長度，就應屬于普通剪力墻。因短肢剪力墻的配筋要求比普通剪力墻要嚴格許多，因此，明確的區分剪力墻形式，可以避免很多不必要的浪費。

剪力墻中的連梁用以連接相臨的墻肢，設計時允許開裂，可做剛度折減。連梁高度過高時，剛度大，分配的內力大，平均剪應力也大，可能引起連梁本身超筋超限，還可能造成相連的剪力墻抗剪水平筋過大，墻肢剪跨比小，連梁和墻肢的延性差。因此，在剛度滿足的情況下，連梁高度不宜過大，可以獲得較好的承載力和延性。對于設計中常遇到的連梁超筋超限問題，多數是抗剪截面超限，即平均剪應力不能滿足規范要求，在高烈度區抗震設計時尤其明顯。根據參考文獻[2]，可以有如下一些處理方法：①對連梁調幅處理，進行剛度折減，一般情況下，連梁剛度折減系數，8度區不宜小于0.5，7度區不宜小于0.8。②增大跨高比，最常用的措施是減小連梁高度，目的也是減小連梁剛度和內力。③設置雙連梁，將高度為h的梁通過設置水平縫，變成兩根高度為h//2的梁，梁端單位轉角引起的彎矩和剪力變為1/4，連梁的內力迅速減小，但連梁的抗剪承載力基本不變。④接鉸接處理。在進行了上述調整后，若仍有部分不符合承載力要求時，可取連梁截面的最大剪壓比限值確定剪力，然后按“強剪弱彎”的要求，配置相應的縱向鋼筋。

3 剪力墻結構用鋼量統計

通過以上所述優化措施，剪力墻結構的設計可以完全滿足規范要求，符合結構的受力特性，同時達到很好的經濟效益，下表是剪力墻結構含鋼量的一個優化目標值，供設計人員及甲方工作人員參考。

注：①上表不包括基礎部分的鋼筋用量。

②對于形狀比較規則的剪力墻結構，含鋼量完全可能突破此目標值，取得更好的經濟效益。

4 結束語

綜上所述，剪力墻結構的優化設計，應根據剪力墻結構的特點，采用合理的布置形式，調整和控制剪力墻結構體系剛度，改善剪力墻的抗震性能。同時在具體的配筋方面，合理的運用規范要求和計算結果，對特殊位置出現的鋼筋超配問題進行有針對性的處理，在保證整個結構安全可靠的條件下，節省不必要的投資，取得良好的經濟效益。

參考文獻

[1]高立人，方鄂華，錢稼茹.高層建筑結構概念設計.中國計劃出版社，2005.

[2]朱炳寅.建筑結構設計問答及分析.中國建筑工業出版社，2009.

[3]李國勝.多高層鋼筋混凝土結構設計中疑難問題的處理及算例.中國建筑工業出版社，2004.

[4]王全鳳.高層建筑結構優化、動力和穩定的實用計算.福建科學技術出版社，2002.