高層建筑剪力墻結構優化設計分析

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摘要：在高層建筑剪力墻結構設計中，如何做到結構設計優化，使設計的整體結構分布更均勻、設計更合理是十分重要的課題。本文以某高層建筑設計為例，采取有效的方法來控制剪力墻結構的鋼含量，闡述了高層建筑剪力墻結構優化設計與經濟分析的策略，為人們提供這方面的參考經驗。

關鍵詞：高層建筑；剪力墻；優化設計

引言

隨著我國經濟的不斷增長，建筑行業的快速發展，高層建筑的施工質量問題越來越引起了人們的重視。其中，剪力墻結構體系剛度大，整體性好，抵抗側向變形能力強，抗震性能較好，在我國高層住宅、賓館等居住性建筑中廣泛使用。結構設計的目的是在保證建筑安全、技術可行、配合并促進建筑設計的前提下，以最經濟的手段來實現建筑的預期效果。然而，國內不少設計單位人員繁忙、成本意識和各專業配合意識相對薄弱，大都做不到精細設計，使建筑結構有很大的優化設計的空間與余地。

1.工程概況

某高層住宅辦公樓，地上為30 層公寓住宅，地下為兩層地下車庫，建筑總高度為95.8m，建筑長寬比為3.6，高寬比為2.7。該建筑經過論證最終采用剪力墻結構類型，由剪力墻結構來直接承受建筑物的水平以及豎向荷載。由于剪力墻結構其墻體全部由鋼筋混凝土所構成，因此其自身平面內具有較大的抗側剛度，能夠有效地抵抗較大的水平側向力。在水平荷載作用下，剪力墻結構將主要產生彎曲型的變形。以下將結合該項目來進一步探討剪力墻結構的設計及其技術要點。

2.高層建筑剪力墻結構設計

2.1 剪力墻結構布置技巧

合理地剪力墻布置將決定剪力墻結構計算計算結果是否能滿足規范要求，而且將決定著結構是否為最優結構體系，這一切又決定著結構的整體經濟效益。

（1）對于一般剪力墻布置來說，其應當主要沿主軸方向布置，而針對巨型、L 形、T 形等建筑平面，則可采用沿兩個軸線方向布置。在布置剪力墻時，應盡量避免出現只有單向有墻的情況，對內外剪力墻采取拉通對直設置。

（2）對于剪力墻的布置并不是剪力墻越多越好，合理地布置剪力墻數目是關鍵，同時還應當滿足結構質量中心與剛度中心的重合，避免結構出現過大的扭轉。這就要合理充分掌握剪力墻布置間距來體現。剪力墻布置間距適中將有助于發揮剪力墻抗側力構件作用，而且還可以合理地增大結構的利用空間。對于剪力墻布置間距過少，則會導致結構的側向剛度過大，造成結構的不經濟性。

（3）對于剪力墻上難以避免的洞口，鑒于洞口大小、位置以及數量對高層建筑剪力墻的受力影響很大，因此對于剪力墻上的門窗洞口布置應當上下對齊，明確墻肢和連梁的位置，且剛度相差不大，應避免三個以上的洞口集中于同一個十字交叉墻附近。另外，由于剪力墻中的連梁剛度較弱，不宜將樓面主梁支承載在連梁上。對于本項目來說，本項目建筑用途為住宅公寓，抗震設防烈度為8 度，設計地震分組為一組，建筑場地類別為二類，設計基本地震加速度為0.20g，基本風壓（50 年一遇）為0.65kN/㎡，地面粗糙度為A 類，結構設計合理使用年限為50 年，建筑結構安全等級為二級，結構抗震等級為二級，主樓地基基礎設計等級為甲級。該建筑體型對住宅平面布置有利，對底部公共建筑設施也易于布置，經反復分析和試算，最終確定采用短肢剪力墻結構體系。

2.2 剪力墻結構設計要點

剪力墻作為一種具有較大剛度、整體性好、抗側力好的結構類型，從工程實踐表明，對于不合理的剪力墻結構設計將會造成結構成本的增加以及結構的不安全性。結合實踐經驗，筆者提出剪力墻結構設計中重要的幾點設計要點如下：

（1）對于地震效果較大的情況下，單純地提高剪力墻結構的抗側剛度，這將造成基礎以及剪力墻結構的成本增加。

（2）應合理布置剪力墻數量，過多的剪力墻數量將增加結構主體重量同時造成工程浪費。

（3）嚴格按照規范要求來進行剪力墻的構造配筋，配筋率的過低將會造成剪力墻結構延性較差。

（4）合理設計剪力墻的墻長及其墻厚，避免出現墻肢承載力得不到有效發揮。綜上所述，對于剪力墻結構設計一方面要保證結構具有足夠的抗側剛度，同時還需兼顧結構成本的優化。

2.3 剪力墻結構的構造設計

對于剪力墻結構設計來說，不僅僅應滿足結構的計算結果要求，同時還應滿足規范的構造要求，構造要求對于保證剪力墻結構的延性等具有重要意義。本高層結構在構造設計上，根據《高規》規定，還應在結構設計時采取如下措施：

（1）除注明者外，剪力墻墻體水平鋼筋放在外側；墻體鋼筋網之間設直徑8@600x600 拉筋；剪力墻墻體水平鋼筋不得代替暗柱箍筋的設置。當墻或墻的一個墻肢全長按暗柱設計時，則此墻或墻肢不再設墻體水平筋，配置暗柱箍筋即可。

（2）連梁應沿整個梁高設置側面縱筋（腰筋）；除特殊標注外，連梁腰筋按墻體水平筋拉通。

（3）樓板內設備預埋管上方無板上部鋼筋時，沿預埋管走向設置板面附加鋼筋網帶，鋼筋網帶取直徑6@150x200，最外排預埋鋼管中心至鋼絲網帶邊緣水平距離150。

（4）當電梯基坑未落在結構底板（或基礎）上，且基坑板下未設置實心柱墩延伸到結構底板（或基礎）時，基坑厚度應不小于250mm；對于落地導軌，其每處支撐點各設置300x300x250（厚）的C30 鋼筋混凝土墊塊，罩面鋼筋網直徑12@100x100 且往下彎折至基坑板頂面。

（5）梁上部縱向鋼筋水平方向的凈距，不應小于30 和1.5d（d 為較大鋼筋直徑）；下部縱向鋼筋水平方向的凈距不應小于25 和d。下部縱向鋼筋多于兩層時，兩層以上鋼筋的水平中距比下面兩層的中距離增大一倍。各層鋼筋之間的豎向凈間距取25 和d 之中的較大值。

（6）當上部墻柱伸入地面與土體接觸、或其中一段墻柱臨水時，無論其外表面是否設置了建筑防水層，墻柱迎水面、接觸土體面的縱筋保護層應按上部結構的保護層厚度增加30（墻）、20（柱）。

3.剪力墻結構計算分析

對本工程剪力墻結構通過采取SATWE 有限元分析程序對結構的內力與位移進行分析，模型采用的設計主要荷載取值見表1 所示。

表1 樓、地面活荷載以及主要設備控制荷載標準值（kN/㎡）

對框架-剪力墻結構中跨高比較大的與柱墻相接梁以及某些連梁，該梁的重力作用效應比水平風或水平地震作用效應更加明顯，此時需考慮梁剛度的折減，以控制正常使用時梁裂紋的發生和發展。另外，高層建筑樓層的側向剛度不宜小于相鄰上部樓層側向剛度的70%或其上相鄰點層側向剛度平均值的80%。經過采取一系列的計算，計算結果表明，本結構各項結果均應在正常范圍之內，既滿足規范要求，又符合以下三點規律：

（1）柱、剪力墻的軸力設計值均為壓力。

（2）柱、剪力墻基本為構造配筋。

（3）梁基本無超筋，剪力墻、連梁均滿足界面抗剪扭的要求。

4.結語

綜上所述，剪力墻結構作為高層建筑中的主要形式之一，在高層住宅建筑中應用廣泛。高層建筑剪力墻結構設計的主旨是發揮這種結構剛度大、美觀等特點，且又能解決高建筑成本等問題。所以，掌握好剪力墻結構受力特點，把握好剪力墻結構設計的基本原則，建筑的結構設計就會更加安全、實用、可靠、經濟。

參考文獻：

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