論高層建筑剪力墻結構優化設計

熊思虎

湖南省第四工程有限公司設計分公司

?

論高層建筑剪力墻結構優化設計

熊思虎

湖南省第四工程有限公司設計分公司

本文通過實際工程案例，對于剪力墻結構設計要點進行具體研究，同時提出了部分優化措施，以供參考。

高層建筑；剪力墻結構；優化設計

前言

隨著城市化的迅速發展，人們對于住房要求也越來越高。為滿足如此龐大數量的居民住房，住宅建筑往往趨于高層，但對于建筑水平要求極高的高層建筑涉及到多種技術方面的問題。如何對于高層建筑中剪力墻結構進行優化設計，就是其中的一個研究重點。

1 工程概況

某建筑B1#住宅樓：總建筑面積5011m2，建筑物長44.2m，寬12.0m，房屋總高度為31.2m。本建筑地下一層，層高為3.9m；地上十層，地上一層層高4.2m，以上每層層高均為3.0m。本工程抗震設防烈度為Ⅷ度，設計地震加速度為0.2g，設計地震分組為第一組；剪力墻抗震等級為二級，建筑物安全等級為二級；場地土類別為Ⅱ類，場地土不考慮液化、無濕陷。

2 剪力墻布置

①剪力墻宜簡單、規則，沿兩個方向雙向布置，兩個方向的剛度不宜相差太大，以控制扭轉的不利影響。②剪力墻不宜過長，較長的剪力墻應開設洞口，將其分成長度較為均勻的若干墻段，墻段用弱連梁連接，且墻長不宜大于8m。③先在建筑外墻周圈和樓梯或電梯井筒部位布置剪力墻，門窗洞口宜上下對齊，成列布置，避免形成錯洞墻使剪力墻上下傳力不連續而產生剛度突變。④剪力墻根據房間布局沿兩個軸線方向布置成T型、L型、十字形。⑤剪力墻厚度的確定：剪力墻的底部加強區的高度取底部兩層（4.2+3.0=7.2m）和墻體總高度的1/10（31.2/10=3.1m）的二者的較大值，故底部加強區的高度取7.2m。因本工程為二級剪力墻，根據規范構造要求底部加強部位的厚度取200mm，以上部分取200mm。⑥通過以上分析，得出第一次剪力墻布置，并在PKPM中輸入參數建模，進行內力計算得出以下數據：

a.位移比：最大層間位移角X方向最大層間位移角：1/1567（1/1000規范限值）；Y方向最大層間位移角：1/1005（1/1000規范限值）；最大位移與層平均位移的比值、最大層間位移與平均層間位移的比值；X方向最大位移與層平均位移的比值：1.02（1.2規范限值）Y方向最大位移與層平均位移的比值：1.28（1.2規范限值）；X方向最大層間位移與平均層間位移的比值：1.01（1.2規范限值）Y方向最大層間位移與平均層間位移的比值：1.32（1.2規范限值）。

b.周期比：結構以扭轉為主的第一自振周期Ta=0.9238；結構以平動為主的第一自振周期Tb=1.0059。

c.從以上數據顯示，《高規》第3.4.5條規定最大位移與層平均位移的比值、最大層間位移與平均層間位移的比值，A級高度高層建筑分別不宜大于1.2，不應大于1.5。以上數據不滿足要求。這說明結構平面不規則，質量與剛度產生過大的偏心而導致結構產生較大的扭轉，應調整抗測力結構布置，使其分布均勻。從以上位移角數值可見，X向最大層間位移角為1/1567＜1/1000，這雖然滿足了規范要求，但比規范限值1/1000的要求小很多，說明X向剪力墻布置較多、剛度較大，應適當減少墻體數量或縮短墻肢長度來削弱其剛度。

d.從軸壓比來看，在地下室（1-9）軸、（1-11）軸與（1-A）軸相交的剪力墻軸壓比為0.63、0.62，大于規范規定的0.6的限值。在X向受建筑平立面的局限，不能加大墻肢長度，只能提高混凝土標號或把地下一層墻體的厚度加大。剪力墻在結構中布置比較靈活，可調整性大，從而導致有不同的計算結果，剪力墻布置應在滿足規范要求的前提下，最終經過位移比、周期比、軸壓比等各項指標控制，得出經濟合理的布置方案。

3 剪力墻結構設計優化措施

根據上述工程的布設以及施工來看，要想進一步優化高層剪力墻結構的設計，可以按照以下幾個方面的措施進行：

3.1 優化墻體的配筋設計

關于墻體配筋在剪力墻結構中的優化設計，第一步要做的工作就是選擇優質的材料，其中鋼筋材料的選擇是重中之重，需要檢查鋼筋的各種合格證明，這是鋼筋進場前的首要工作，符合要求的鋼筋才可以進入施工場地。剪力墻結構墻體配筋大多數需要把垂直鋼筋安置在里面，水平鋼筋安置在外面，這是因為地底下的墻體配筋相對于其他部分較多，而且地下水壓和土壓造成的壓力較強，剪力墻結構的配筋通常符合建議標準和工程測算的最小配筋率即可。依據實際現狀制定的剪力墻優化設計能夠較好的減少投資成本。對剪力墻厚度的選擇尤為重要，不必特意把最小厚度定為200mm，在滿足結構計算要求的前提下也可采用180mm或160mm剪力墻。

3.2 剪力墻結構連梁的優化設計

相關剪力墻結構標準中明確提出，如果連梁的跨高比大于5的時候，就需要按照框架梁的要求展開設計，這也就是表示，跨高比大于5的連梁，它的剛度不可以減少，然而當連梁的跨高比在5～6時，一旦剛度不減少，很有可能造成剪力過大的情況，使得建設工程的成本增加，浪費資源。解決方法就是使跨高比大于6，這樣就可以明顯的減少鋼筋與混凝土的使用量，有效的減少投資成本。

3.3 層間位移比和最大位移的優化設計

依據規定，在核算常遇地震作用標準值造成的樓層最大的彈性層間位移時，把高層變形建筑物排除以外，大多數不扣除整個結構的彎矩變形，同時算入扭轉變形。所以，以高層建筑為例，首要的任務是制止樓層間和剪切變形。根據制約的垂直構件數量可以制約剪切變形，一旦單數構件布置的不科學，一樣能產生很大的扭轉變形，所以，高層建筑需要最大可能的減少扭轉變形，不可以隨意增設構件的剛度。

3.4 加強剪力墻結構均衡設計

高層剪力墻結構的均衡設計需要工作人員使用合理的對策，促進剪力墻結構的受力平均，這不僅僅可以提高工程的安全性能和結構的合理性，而且還可以節約高層建筑的造價成本。剪力墻結構的合理設計需要工作人員依據建筑物的平面布局狀況來實現，設計人員分析各種情況，得出剪力墻結構優化設計的方案，這包括設計人員依據施工場地的現狀，設計出科學合理的剪力墻結構，在設計人員設計好剪力墻結構方案的同時還要制定出符合設計要求的管理條例，加強對剪力墻結構的檢查和監督，增強施工人員的安全意識和管理團隊的科學管理水平，保證施工人員嚴格按照設計方案和施工圖紙進行施工，保障施工的質量，特別是剪力墻結構的質量。

4 結束語

總之，在剪力墻設計過程中，各個環節的要素都應當注意，我們應該合理確定各項設計標準，切實落實具體設計執行的優化措施，確保每一項工程的安全合理性和經濟適用性，在滿足設計需要的同時，有效改善人類的居住環境。

［1］李凱.高層建筑框架剪力墻結構設計優化措施研究［J］.房地產導刊，2015（3）：125-125