某高層剪力墻住宅結構布置和優(yōu)化設計分析

謝汝劍

[摘要]本文基于高層剪力墻住宅建筑結構設計工作實例，詳細介紹了整體結構布置和結構分析到局部構造措施，目標為從結構設計角度加強該項目的成本（投資）控制、工期控制和質量控制，確保提升本項目的綜合效益，建設結果驗證了優(yōu)化效果較為理想。

[關鍵詞]剪力墻結構；高層住宅；結構選型，優(yōu)化設計

文章編號：2095-4085（2016）05-0052-03

高層住宅建筑既要滿足結構方面的安全耐久要求，又要實現用戶功能上的個性需求，通常受力復雜、用料多，需要合理考慮布局、受力及材料，結構設計面臨著住宅建筑經濟性、可靠性甚至安全性諸多問題考驗。從應用層面分析對比發(fā)現，剪力墻結構在住宅建筑中的使用能夠達到較高的綜合效益，17層左右的高層建筑較5層左右住宅要節(jié)約45%左右土地資源，因此，在該領域應用廣泛，在我國超過了72%的使用比例，設計過程中嚴格考慮布置和優(yōu)化措施意義較大。剪力墻住宅建筑結構優(yōu)化重點在于整體布置、功能、體系、尺寸、形狀到構造等各方面的綜合考量，同時反映出成本效益，應用較多的工具，是一項系統(tǒng)性較強的工作。

1.工程概況

工程位于遼寧省盤錦市，五棟高層住宅建筑中兩棟18層（主體高度55.3m）、三棟17層（主體高度53.9m），基礎埋深為3m，采用鋼筋混凝土剪力墻結構體系。建筑抗震等級為三級，抗震措施采用7度設防烈度，結構安全等級為二級，建筑物耐火等級為二級，結構整體計算采用SATWE程序。

2.結構布置

本項目著重分析該類型建筑中剪力墻的布置和梁板的布置問題。按照每個標準層的單位面積計算，經統(tǒng)計發(fā)現，在7度設防烈度區(qū)域通常剪力墻墻身的用鋼量達到45%到65%，而邊緣構件此比例為30%到50%，布置好剪力墻可以實現較好的經濟效益。布置住宅建筑剪力墻需遵從降低剪力墻數量、降低邊緣構件數量、用抗側力構件占比盡量少的方案達到建筑抗側和抗扭剛度的要求等原則。設計過程中主要使用強周邊、弱中間，均勻長墻優(yōu)先、短墻減少，L，T、十字等規(guī)則墻肢優(yōu)先、復雜轉折形式減少，連續(xù)形式增高、半框形式減少，建筑結構在高度上變化均勻，墻肢的軸壓比盡量差距降低等方法。

該類型建筑統(tǒng)計數據同樣發(fā)現梁板布置作用同樣重要，通常用鋼量達到35%到55%，由于高層住宅通常并不存在非常大的荷載，優(yōu)化余地較多。本項目按照規(guī)范最低限值的撓度、裂縫和管道設備進行分析，遵循傳力路徑簡明、跨度做到3.0～5.0m的經濟跨度、降低高連梁使用等原則。

3.結構分析

結合建筑特點、規(guī)范要求和綜合指標構建了結構布置，構建兩種對比初步結構模型進行了試算，試算從鉸接模型調整后進行剛接模型二次試算，調整結構位移比、周期比以及層問位移角。其中進行的位移比優(yōu)化效果如表1所示。

兩個模型均能夠滿足規(guī)范要求，優(yōu)化后的模型整體穩(wěn)定性更優(yōu)，更能抵抗最不利條件。其他參數的優(yōu)化調整同樣遵循深化對比分析的思路，最后進行整體分析，選擇統(tǒng)籌效果最佳的結構方案。結構計算過程中發(fā)現個別連梁出現了超筋問題，采取增加洞口寬度、降低梁界面、提高連梁跨高比、轉移地震力等方法均能起到較好的效果。

圖1所示為經過上述優(yōu)化思路處理后的部分標準層結構布置和初步配筋情況。

4.構造措施

本項目結構設計過程中從墻的配筋和梁的配筋兩個方面深入優(yōu)化了構造措施。

墻帶翼緣邊緣構件通常配筋量都比較大，本項目中針對該細部構造采取了剪力墻組合配筋形式進行獨立計算配筋，降低此類構造措施配筋超過30%，運算初值需要參照經驗代入。墻肢之間有較高連梁的小開口整體墻中，開洞所產生一字墻配筋可以針對洞口兩側按照構造邊緣構件配筋，不考慮短肢剪力墻，在L形、T形和十字形剪力墻中可以參照類似的措施，減小短肢剪力墻的定義范圍。L形與T形剪力墻會出現腹板同翼緣難以匹配的情況，在構造上需要放寬翼緣的邊緣構件要求，十字形剪力墻中出現類似情況時可以以暗柱考慮構造情況。對于厚度大于300mm單片短肢剪力墻，構造上按照普通剪力墻或者框架柱運算效果更好。構造上還需要考慮高強度混凝土或溫度應力集中區(qū)域的收縮應力與溫度應力控制，以減少裂縫產生的可能，通常可提高水平分布筋配置用量。為了錨固住連梁、豎向鋼筋與框架梁縱筋，剪力墻頂部的暗梁效果顯著，暗梁設計高度可取400～500mm，縱筋與箍筋按照構造要求設計。

考慮到地震作用影響，本高層住宅剪力墻結構的連梁和框架梁內力與配筋計算過程中歸并了部分樓層，減少豎向變化，配筋差別較大的獨立配筋，盡量節(jié)省用鋼。對于錨固足夠且支座彎矩過大的梁（超過總彎矩30%）按照框架梁進行構造設計，與之相對應的剪力墻處以暗柱配筋構造處理。

5.成本控制措施

結合同類項目結構設計經驗，本項目設計中推薦隔墻采用類似于加氣混凝土砌塊的輕質墻體，在降低荷載與地震作用的同時，減少了成本。受力集中的暗柱和梁等處建議使用高強鋼筋，可以降低配筋量。在運算處理過程中的荷載階段，細化墻體荷載優(yōu)化（如扣除門窗洞口等）以減少非必要性荷載參與計算。

結構布置的優(yōu)劣對于成本控制效果顯著，同時還需要做到精細計算。剪力墻布置在充分考慮水平和豎向承重條件下應該盡量擴大間距；沿著建筑豎向的剪力墻要保持均勻變化的厚度設計；剪力墻軸壓比和層間位移角等參數設計要靠近規(guī)范限制值，降低剪力墻使用量和結構自重。

構建模型進行運算過程需要精細化，導出的計算結果進行復核后要作為配筋執(zhí)行依據，設計過程中參數選擇要嚴謹，各項放大系數要有依據，確保結構的安全。

6.結語

本項目估價約4.3億元，于2014年竣工驗收，施工效果顯示其達到了預期的結構優(yōu)化設計目標。從剪力墻布置和梁板布置著手，并在電算基礎上強化手算和分析，嚴格控制配筋量，從而實現了用鋼量控制；在大的結構布置和小的構造精細計算等多個方面著手，充分發(fā)掘剪力墻細部構造措施優(yōu)化潛力，增加優(yōu)化措施，確保本項目受力合理、結構安全且嚴格控制造價。