基于高層住宅中混凝土剪力墻結構優化設計分析

文/唐景文 長沙市建筑設計院有限責任公司 湖南長沙 410000

1、引言

近年來，受城市用地緊張的影響，我國的民用住宅逐步向高層化發展。高層建筑的高容積率和低土地占用率，極大的緩解了城市人口暴增后的居住和空間問題。混凝土剪力墻結構因其具有較好的靈活性，能夠滿足建筑的各種功能需求，且穩定性和抗震性都較強的特點，在高層住宅中應用十分廣泛。

2、高層住宅混凝土剪力墻結構概述

2.1 混凝土剪力墻結構及其特點

在高層建筑當中，通過混凝土構成的墻體結構以及樓板來代替框架結構中的梁柱，實現承重的目的，就是混凝土剪力墻（如圖1）。其主要特點表現為以下幾個方面：

（1）承載能力較強，同時還具備較強的抗側力能力；

（2）受到水平荷載的作用時，抵抗能力較強，很難發生側移，能夠為建筑提供更大的室內空間；

（3）剪力墻自身的重量較大，當發生地震時，抗震性能較好；

（4）在進行施工時，工序較為繁瑣，對工藝的要求較高，相對整體成本支出也較大；

圖1 混凝土剪力墻平面結構圖

2.2 混凝土剪力墻結構優化設計原則

混凝土剪力墻結構作為高層住宅結構的主要結構，其設計水平的高低，不僅關系著建筑結構的經濟利益，而且對整棟建筑結構的安全與穩定有著巨大的影響。因此，應對混凝土剪力墻結構進行優化設計，相關基本原則有以下幾點：

（1）在優化設計中，用盡量減少混凝土剪力墻在建筑結構中使用的數量；

（2）在建筑結構設計時，對于墻肢的設計，應減少相關邊緣構件的數量；

（3）在進行混凝土剪力墻設計時，應參考即使用較少的抗側力構件，又可以滿足建筑的抗側和抗扭剛度設計要求。

3、高層住宅中混凝土剪力墻結構的優化設計分析

3.1 混凝土剪力墻整體結構設計上“強周邊、弱中部”

這種混凝土剪力墻結構優化的核心在于，進行剪力墻設計時，應盡量將建筑外圍的墻體設計為剪力墻，而對于高層住宅中部，要盡量設計較少或者不設置混凝土剪力墻。部分高層建筑還會將住宅的窗臺位置，設計成高連梁形式，來提升剪力墻結構的剛度。這種優化設計方案的特點是：

（1）可以有效的提升高層住宅建筑的抗扭剛度，能夠有效的對周期比、位移比等關鍵建筑指標進行控制。

（2）通過混凝土剪力墻的設置，建筑的外墻防滲透性能得到了有效提升，防水性能更強。

3.2 混凝土剪力墻長度設計上“多均勻長墻、少短墻”

在進行混凝土剪力墻結構優化設計時，可以考慮將剪力墻放在整個建筑結構承受能力、豎向荷載能力最佳的隔墻位置，這是在設計時，需要注意幾點設計要點：

（1）相鄰混凝土剪力墻之間的間距要增大，避免短距離出現多道混凝土剪力墻；

（2）可以通過延長混凝土剪力墻的墻肢長度，來降低混凝土剪力墻設計的數量，一般情況下，剪力墻的長度要小于8米。

這樣設計的核心在于，通過增加混凝土剪力墻的長度，達到減少混凝土剪力墻的數量的目的，還能提升建筑住宅結構的抗側性能和減少邊緣構件的使用數量。此外，通過剪力墻的數量減少，以及相鄰剪力墻的距離增大，提升了高層住宅的建筑空間。

3.3 墻肢更多選擇L、T、十字形，少形狀轉折

如果在進行高層住宅混凝土剪力墻結構設計時，剪力墻出現較多的轉折或者小墻垛設計，可能會導致暗柱數量的增加，從而對建筑當中的邊緣構件造成影響。因此，設計過程中，應注意減少或者杜絕這種情況的出現。例如：可以通過將混凝土剪力墻的形狀設計成L形、T形或者井字形等（如圖2），代替較小的或者連續的剪力墻轉折。

圖2 剪力墻截面形狀

3.4 墻肢間多連續、少半框，避免獨立墻肢出現

在進行混凝土剪力墻結構設計時，可以考慮將不同方向的剪力墻，通過相連的連梁、框架梁，將它們組成一個整體結構，不僅提升了高層住宅的抗震性能，而且還具備很好的抗風效果。此外，在進行設計時，為了提升整個高層住宅的抗側剛度，減少剪力墻的設置數量，應盡量避免設計中出現半框墻肢，尤其是獨立墻肢的出現。

3.5 剪力墻配筋優化設計

一般情況下，在進行混凝土剪力墻配筋時，都是按照最小的配筋率進行構造配筋。影響混凝土剪力墻鋼筋用量的主要因素是剪力墻的厚度，所以在進行剪力墻設計時，應重點加強對混凝土剪力墻厚度的控制。

在對高層住宅的抗震性能進行設計時，如果經過測算，底層剪力墻的軸壓比符合建筑的抗震規范要求，在設計時，可以只設置構造邊緣構件。如果軸壓比已經超過了規定要求（如表1所示），則需要增加約束邊緣構件。兩者的差別，對進行混凝土剪力墻配筋有著巨大的影響。因此，在進行設計時，可以通過提升剪力墻肢的界面面積，確保軸壓比符合建筑抗震規范要求，這樣就可有有效的減少鋼筋的使用量，提升整棟建筑的經濟效益。

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3.6 剪力墻厚應該沿住宅結構整體高度均勻變化

如果在混凝土剪力墻的設計中，出現上下厚度不均勻的情況，會降低建筑的剛度，減弱建筑物的抗震性能。因此，在進行剪力墻結構設計時，對于剪力墻的厚度，應當參考住宅結構的整體高度，隨著高度的增加，均勻的變化。

結語：

綜上所述，隨著我國城市化腳步的不斷加快，城市的人口呈現爆炸式的增長，與此同時，建筑住宅用地的不足，導致城市居民的居住問題日益突出。高層住宅建筑在此背景下，得到了迅猛的發展。作為高層住宅主要的建筑結構之一，混凝土剪力墻結構由于抗震性能好，安全系數高的特點，被廣泛應用。相關建筑結構設計者，應當不斷提升對混凝土剪力墻結構的熟悉和了解，采用科學的方法對設計方案不斷的優化和完善，推動我國高層住宅建筑的可持續發展。