談高層住宅剪力墻結構布置及優化

羅 海 燕

(晉城市建筑設計院，山西 晉城 048000)

0 引言

隨著我國人口的不斷增加，人均占地面積逐漸減少，建筑建設趨于高層化，尤其是在現代化城市中，各類高層建筑物已成為城市的標志物，比如說上海的環球金融中心，紐約的帝國大廈。根據1972年世界高層建筑委員會制定的標準，高層建筑物的定義是指大于9層的建筑物，而在我國，高層建筑物是指不少于10層的住宅建筑或超過24 m的其他民用建筑物[1]。高層住宅的實際面積比較大，功能性強，但是抗風險能力比較低，因此必須加強建筑結構設計，而剪力墻結構作為新型的建筑承重主結構，其結構設計是建筑承載力、抗震性能等的主要影響因子，同時也會影響到建筑的使用年限和使用安全性，是建筑結構設計的重點內容。

1 剪力墻結構概述

剪力墻結構是一種鋼筋混凝土墻板，是整體建筑的主承重結構，是用來承受地震作用或風載荷所引起的水平載荷的墻體，具有承擔建筑縱向橫向作用力、分割空間的作用，它的結構和大小都是可以依據建筑強度和抗壓性的需求來改變的。一般來說，剪力墻結構具有自身平面內較大的抗側移剛度，以及平面外的較小剛度，因為這一結構特點，所以該墻體結構能夠承受住大部分建筑主體所給予的水平剪力，因此被稱為剪力墻。剪力墻取代了傳統建筑中梁柱的位置，主要由鋼筋混凝土制成，優化其結構設計能夠有效控制建筑結構產生的水平力，保證建筑的剛性和韌性[2]。

根據剪力墻是否開洞以及洞口尺寸的大小，可將剪力墻分為以下4種類型：

1)實體墻，即截面墻體沒有開洞的剪力墻，或者是截面墻體所開洞口面積低于15%墻體面積的剪力墻，具有承受能力強的優點；

2)整體上小開口的剪力墻，即洞口面積占整個墻體面積的比例低于15%的剪力墻結構，為彎曲型變形結構，有可能會發生突變；

3)多肢剪力墻，即開動面積較大或洞口呈列狀分布的剪力墻，彎矩圖處不會發生異常突變，結構相對穩定；

4)壁式框架剪力墻，即開洞尺寸較大的剪力墻，這類墻體墻肢線上、墻體連梁線上的剛度非常接近，為剪切型變形結構，其受力特點與框架結構類似[3]。

2 剪力墻結構布置原則

2.1 合理設置剪力墻筒體

在進行剪力墻結構的布置時，需要考慮的要素比較多，比如說墻體的勻稱性與對稱性，比如說結構重量與剛強度的垂直性，要保持上述要素符合設計規范，就必須合理規劃墻體，注意規劃墻體的主軸路線。在高層住宅結構設計時，通常需要在電梯間布置剪力墻并連接成筒體，這樣能夠提高墻體間的水平力傳遞效率。在布置這種筒體時，應該盡量增加外部墻體的布設數量，而內部墻體可適當減少，或者是減小厚度，因為在筒體中內部墻體結構作用微弱，無需多布置，否則反而會影響到結構剛度的大小[3]。

2.2 合理布置墻肢截面

剪力墻作為建筑主體承重結構，其豎向載荷及風載荷承受能力較強，而橫向載荷只能依靠大樓板進行傳遞，在設計時，一般會從豎向載荷的設計入手，嚴格控制剪力墻的數量。通常情況下，剪力墻數量是根據軸壓比、地震力來確定的。在此基礎上，根據建筑結構設計，布置剪力墻結構，一般來說，會采用L型、T型的墻肢截面，而且如果條件允許，應該使得剪力墻翼緣的長度超過墻體厚度的3倍，在布置方案設計過程中，需要嚴格按照JBJ 3—2012高層建筑混凝土結構技術規程及GB 50011—2010建筑抗震設計規范中的技術標準，進行剪力墻翼緣暗柱的設計，并且盡量減少其中箍筋、縱筋的用量，以提高剪力墻墻肢穩定性和抗震性[4]。

2.3 保持樓層剪力系數最小

在進行剪力墻結構設計時，設計師應在保持短肢剪力墻承受力矩達標的基礎上，將樓層間剪力系數降低到最小，在保證建筑建設質量的基礎上，減少剪力墻數量，同時適度提升剪力墻結構的側向剛度。而在布置剪力墻結構時，則應該盡量采用縱橫雙向布置的方式，并且讓兩個方向的剛度大致保持一致，比如說在矩形平面高層住宅的設計中，可以在山墻位置設置較長或較厚的墻體，這樣能夠增大墻體的橫向剛度，從而使得縱橫兩個方向的墻體剛度趨于相同，從而保證受力的平衡，提升結構穩定性。

2.4 嚴格控制樓層間位移與層高比

在剪力墻結構布置時，應該保持樓層間位移數值的最大化，同時嚴格控制層高比。在計算剪力墻結構的位移時，一般只會考慮樓層間的彎曲變形情況，而不會考慮到建筑結構的變形，因此樓層間的兩大變形要素——扭轉和剪切，就成為了位移計算的主要計算因子。以剪切變形為例，其主要影響因素為豎向構建，保持豎向構建的數量適中，嚴格控制樓層間位移與層高比，能夠有效緩解樓層間彎曲變形的現象，保證建筑結構的穩定性和剛度符合《建筑抗震設計規范》的設計要求[4]。

3 高層住宅剪力墻結構布置優化策略

在住宅建筑設計中，通過剪力墻結構的優化布置，能夠達到控制工程含鋼量的目的，從而優化工程建設效益。在此過程中，設計人員需要以JBJ 3—2012高層建筑混凝土結構技術規程中的相關規定為基礎，再對剪力墻結構的施工圖紙進行優化，以抗震等級為三級的高層住宅剪力墻結構布置為例，規程中明確規定了只要計入墻身水平分布筋的體積配箍率小于整體配箍率的30%，約束邊緣構件的體積配箍率可以計入符合墻體構建要求的墻身水平分布鋼筋中，因此在設計過程中，可以將約束邊緣構件箍筋的配置從C10@110至C10@130降低為C10@150或者是部分降低為C8@140，減少箍筋用量。而且，其中還規定了在構造邊緣構件中，底部加強部位除計算要求外，箍筋配置最小量為C6@150，而其余部位的箍筋配置最小量為C6@200，因此，在符合設計要求的情況下，可以按照最小配箍量，來繪制箍筋。此外，在剪力墻結構布置時，可能會受到建筑功能的限制，比如說在住宅建筑開窗出，剪力墻翼緣長度必須小于厚度的3倍，且暗柱的箍筋必須小于C8@150，這種情況下，需要額外設計箍筋設置方案，以保證住宅建筑質量達標。

4 結語

高層住宅的建設，是對城市土地資源高效利用的一種方式，但是由于建筑高度和功能復雜的原因，其力學結構相對脆弱，抗震性能比較低[5]。剪力墻結構由于具備高強度、穩定性好的優點，被廣泛應用于高層建筑建設中，在高層住宅結構設計過程中，合理應用剪力墻結構，不僅能夠提高建筑質量，而且能夠縮短建設周期，降低工程造價，這對于高層住宅建設效益和社會效益的優化，都有著積極的意義。剪力墻結構的布置及優化，并不是一件簡單的事情，設計人員應該從結構的概念設計出發，合理控制剪力墻結構的布設位置及數量，并經過反復的推敲和驗算，指導確定最佳的方案，降低結構含鋼量，提高工程經濟性。

[1] 曹曉晨.裝配整體式剪力墻結構體系的高層住宅電氣設計實例解析[J].科技創新與應用,2017(20):107-108.

[2] 張小方,張舉濤.鋼板組合剪力墻結構體系應用于高層裝配式住宅的研究[J].甘肅科技縱橫,2017(6):51-54.

[3] 曾 鵬,曹平周.高層剪力墻結構住宅剪力墻類型與布置對結構性能影響分析[J].建筑科學,2017(1):100-106.

[4] 林宇棟,王 杰,石 林,等.裝配式剪力墻結構在某高層住宅工程中的應用[J].建筑技術開發,2015(5):53-56.

[5] 李曉冬.提高小高層住宅框架異形柱剪力墻結構梁柱節點施工質量[J].施工技術,2013(S2):435-438.