淺談高層建筑剪力墻結構優化設計

林小楊

中元（廈門）工程設計研究院有限公司（361000）

淺談高層建筑剪力墻結構優化設計

林小楊

中元（廈門）工程設計研究院有限公司（361000）

通過結合某高層建筑住宅工程實例，主要分析在符合各項技術要求的條件下如何進行高層建筑剪力墻的結構優化設計。

高層剪力墻;結構優化設計；工程剪力墻

0 前言

隨著社會經濟的快速發展，城市的土地越來越緊張，城市的高層和超高層建筑成為未來住宅建筑的主流。剪力墻結構整體性好，剛度大，在水平荷載下側向變形小，同時能滿足建筑功能布局要求。該體系越來越廣泛的運用于各種建筑中，這里對剪力墻結構進行合理優化設計，以滿足安全、經濟、合理的要求。

1 工程概況

某高層住宅樓共37層，底層層高3.6 m,標準層層高3.0 m,建筑總高度為111.6 m，建筑面積為14 800 m2。采用混凝土剪力墻結構，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.15 g,設計地震分組為第二組，建筑場地類別為II類，場地的特征周期Tg=0.40 s。因主體建筑高度大于100 m,故計算采用場地安評報告結果，調整為水平地震影響系數amax=0.13,設計特征周期Tg=0.45 s。建筑剪力墻抗震等級為二級，結構安全等級為二級，設計使用年限為50年。場地基本風壓0.8 kN/m2，地面粗糙為B類，風荷載體系系數為1.4。

2 高層剪力墻結構設計計算原則

2.1 多使用一般剪力墻

在優化高層剪力墻結構時，要盡可能使用普通剪力墻，降低短肢剪力墻和小墻肢的數量，設計中應體現其結構豎向和水平向具有合理的剛度及承載力的分布，盡可能的保證一肢剪力墻的墻肢截面高度比規范要求的8倍墻厚稍大,符合一般剪力墻,剪力墻盡量根據建筑平面使用功能要求布置成“L”型、“T”型剪力墻，有利于剪力墻結構的穩定性，同時能夠形成較好的側向剛度。

2.2 剪力墻的數量和剛度要合理

剪力墻是抗震設防的第一道防線，剪力墻剛度的大小是整個建筑物整體抗震的關鍵，適宜的剛度能保證在地震來臨時，保持整體穩定性，抵抗地震水平力作用，避免過大的水平位移和振動。因此，我們應該控制結構的剪重比,盡量減少剪力墻的布置，以大開間剪力墻布置為目標，使結構有適宜的側向剛度,使樓層的最小剪力系數接近或不小于規范值。這樣能減輕結構自重,有效減少地震作用的輸入，同時降低工程造價。若剪重比已經較大，不宜一味的增加一側的豎向剛度去滿足層間位移要求，也要學會減小對應一側的結構剛度。地震作用減小，同樣可以達到較好的效果。

2.3 對墻肢長度的差異性進行控制

在剪力墻結構中，剪力墻宜沿主軸方向或其他方向雙向布置，應避免單向布置剪力墻，并宜使兩個受力方向的抗側剛度接近，剛度分布均勻，以使其具有較好的整體協調受力能力。在建筑布置方案時介入，要盡可能保證墻肢長度的一致性，避免過長或過短剪力墻，采用均勻分布的小片墻肢，同時墻肢應盡量對齊，使傳力途徑簡潔明了，受力均勻分布，從而使地震作用被剪力墻平均分配。

2.4 對剪力墻的開洞進行的處理

在高層住宅的剪力墻結構中，除了根據建筑功能設置門窗洞外,還需要根據實際的方案和結構，對結構洞進行調整。剪力墻整片不宜做太長，應進行開洞采用弱連梁進行連接,太長剪力墻剛度太大，吸收地震力大，若此墻體損壞了，對整體抗震性能影響太大，破壞力大。應分散布置墻體，保證各片剪力墻可以均勻分配地震作用,同時控制各墻肢軸壓比，使各墻肢軸壓比在豎向荷載作用下盡量靠近相應結構抗震等級軸壓比限值，通過調整洞口的大小和連梁的高度來調整連梁配筋量，避免出現連梁超筋導致配筋困難。

3 實際工程剪力墻結構設計的優化

3.1 布置結構的具體方案

在剪力墻結構設計時，我們需要先進行一些必要的試算、對比，才能在實際的工作中更好地進行優化，按照國家各項設計規范的要求來考慮這樣的結構是否合理，同時提高自己的設計水平，減少不必要的設計浪費，滿足開發商的經濟指標要求。原標準層結構布置平面如圖1，墻肢除底層墻厚為300 mm，其余底部加強區墻厚為250 mm，以上為200 mm。經過試算發現整體結構偏剛，剪力墻數量偏多，且部分建筑功能使用不太合理，例如南面建筑底層為大堂層，開間越大越美觀。故對整體結構的布置及墻肢進行了調整，如圖2。

圖1 優化前結構平面布置

圖2 優化后結構平面布置

3.2 設計結構的指標對比分析

本工程使用PKPM系列軟件的SATWE計算，分析了兩種結構設計方案，對主體結構的位移比、剪重比、周期比、位移角、含鋼量及混凝土量進行對比，見表1。

從表1結果可以看出，優化前方案的整體剛度較大，層間位移角偏小,由于剪力墻在下側布置較密集，結構整體剛心偏下，形成扭轉。優化后方案結構主軸X、Y向動力性能相近，平面抗扭剛度較好，且盡量將外側的墻肢加長，取消內部小短肢，對上下對齊剪力墻肢進行加強，使整體剛度更加均勻，受力更合理。對整體剛度位移角和扭轉起很大控制作用，且主要控制參數均滿足規范相關要求。同時在造價方面,含鋼量及混凝土的用量都有較大地減少，節約建筑成本，更加經濟合理。

表1 優化前、后兩種結構設計方案對比

4 結語

在建筑設計過程中，在考慮建筑使用功能布局更加美觀合理的條件下，結構剪力墻應盡量布置在建筑外圍，提高整體的抗側剛度；取消內部零星短肢墻，使結構傳力途徑更簡潔、明確、合理，并有效地節省了投資成本，具有更大市場競爭力。

[1]JGJ 3-2002,高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[2]方鄂華.高層建筑鋼筋混凝土結構概念設計[M].機械工業出版社,2004,9.

[3]GB 50011-2010,建筑抗震設計規范[S].