談高層剪力墻結構的優化設計

趙偉

摘 要：本文針對剪力墻結構的特點，對剪力墻結構進行概念分析，總結出剪力墻結構的設計要點和結構設計優化的思路，列出了剪力墻結構的一般經濟指標。剪力墻結構經過優化設計，可以提升結構設計的品質，降低工程造價，達到技術性和經濟性的統一。

關鍵詞：高層剪力墻、剪力墻結構、優化設計

1 引言

隨著社會經濟的快速發展，我國的建筑行業得到了前所未有的發展。但是，隨著城市化進程的不斷加快，我國高層建筑的發展速度也越來越快。高層建筑通常采用剪力墻結構，那么如何才能保證高層剪力墻結構在安全的前提下，不斷實現高層剪力墻結構的優化設計，并提高其結構設計的經濟性已經成為當今社會和建筑行業的熱點話題。

2 剪力墻結構的概念及結構能效

剪力墻結構是建筑的主要承載部分，并且還是承擔地震、風等傳遞水平載荷導致的軸力、剪力以及彎矩等結構構件，同時也是建筑的分隔墻和圍護墻，所以在布置剪力墻的過程中，應該滿足建筑物的結構布局和平面布局，剪力墻結構的開間相對較小，高層建筑的樓層蓋板通常選用現澆的混凝土結構平板，這樣，其空間結構的利用率更高，能夠有效節約建筑的層高。剪力墻結構的整體性和空間作用都非常好，并且具有很強的承載性能和抗側力性能，因此，許多高層建筑都采用剪力墻結構。

3 剪力墻結構設計計算原則

剪力墻結構設計時，應根據規范要求綜合考察結構是否合理，下面是對結構設計中須重點關注的幾種技術指標的調整原則的淺析，若有不對之處，請廣大同行指正。

3.1 樓層最小剪力系數（剪重比）的調整原則

在滿足短肢剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩占結構總底部地震傾覆力矩不超過40%的前提下盡可能少布置剪力墻，以大開間剪力墻布置方案為目標，使結構具有適宜的側向剛度，使樓層最小剪力系數接近規范限值（不小于限值）。這樣能夠減輕結構自重，有效減小地震作用的輸入，同時降低工程造價。

3.2 樓層層間位移角的調整原則

規范規定多遇地震作用標準值產生的樓層最大的彈性層間位移在計算時，除以彎曲變形為主的高層建筑外，可不扣除結構整體彎曲變形，應計入扭轉變形。由此可見，對于一般的高層建筑，重點是樓層間的剪切變形及扭轉變形。剪切變形的控制是以豎向構件的多少來決定的，但豎向構件足夠多（剪重比偏大）而布置不合理，則會造成扭轉變形過大，同樣不能滿足層間位移的要求。

4 剪力墻結構的優化設計

4.1 工程概況

本文以某高層建筑為例，該高層建筑總共 16 層，還有兩層地下室，總建筑面積為 1.075×105m2，地下室主要用于物業辦公以及車庫，地上首層為商業層，層高為 3.5 m，其余為住宅，層高均為 2.85 m，該高層建筑的建筑類別為丙類。該高層建筑的剪力墻結構的參數表現為：地下層及首層的剪力墻厚度為 250 mm，二層以及二層以上的外墻為 200 mm，內墻為180 mm。原設計方案中，其剪力墻結構在 X 方向的最大層間位移角為 1/2376，Y 方向的最大位移角為1/1623.通過對剪力墻結構進行優化設計之后，剪力墻結構在 X 方向的最大層間位移角降低至 1/1901，Y 方向的最大位移角降低至 1/1417，經過優化設計之后，不但提高了高層剪力墻結構以及整體建筑的穩定性，還節約了大量的梁、板、墻等的鋼筋以及混凝土的用量，顯著地降低了建筑成本，具有非常好的經濟性。具體剪力墻結構如圖1。

4.2 高層剪力墻結構的優化設計

4.2.1 高層剪力墻結構方案的設計思路

高層剪力墻結構的設計方案多種多樣，在選擇高層剪力墻結構方案時，應該選擇正確的建筑結構體系以及構件需要的材料。層數低于 20 層時，通常采用短肢剪力墻結構方案。該種結構設計方案的水平地震剪力、周期和位移等都能夠被控制在合理的范圍內，并采用現澆剪力墻結構，合理地將鋼筋混凝土墻置換成砌體或者磚墻，這樣不僅能夠提高建筑結構的整體剛度，減輕結構的自重，還能夠有效降低工程成本。

4.2.2 剪力墻結構墻體配筋的優化設計

剪力墻結構墻體配筋通常要求將豎向鋼筋放置在內側，水平鋼筋設置在外側。由于地下部分墻體配筋相對較多，并且土壓力和水壓力產生的側壓力相對較大，根據不同的計算模型來分析鋼筋放置位置，配筋滿足規范建議以及相應工程計算的最小配筋率即可。剪力墻的墻肢截面高度必須比墻厚度8倍稍微大一點，這樣才符合一般剪力墻的規格。同時剪力墻設置盡量選擇“L、T”形，當一個方向的墻符合一般剪力墻要求時，另一個方向的墻肢不宜過短，較小的墻肢常常會出現較大的配筋，一般宜控制在1m左右，使墻端暗柱配筋接近構造配筋為宜。這種根據高層建筑實際狀況的剪力墻結構墻體配筋的優化設計能夠顯著地降低墻體配筋用量，降低工程成本。

4.3 剪力墻結構連梁的優化設計

《高規》7.1.3條規定：跨高比不小于5的連梁宜按框架梁設計。，也就是說跨高比超過 5的連梁，其剛度不能折減，但跨高比在 5～6 之間的連梁，如果剛度不折減，就很容易出現剪力超限的問題，并且還會造成工程成本的浪費。使連梁跨高比變成超過 6 的框架梁，能夠顯著降低混凝土以及鋼筋的用量，降低工程成本。

4.4 層間位移角和最大位移的優化設計

根據相關的規定，在計算多遇地震作用標準值產生的樓層最大的彈性層間位移時，除了以彎曲變形為主的高層建筑之外，通常不扣除結構整體彎矩變形，并計入扭轉變形。因此，對于高層建筑來說，重點應該控制樓層間的扭轉變形和剪切變形。通過控制豎向構件的數量能夠控制剪切變形因此，在高層建筑中，應該盡可能地降低扭轉變形，不能不經過分析就隨意增加豎向構件的剛度。

4.5 樓層最小剪力系數的優化設計

在滿足短肢剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩占結構總底部地震傾覆力矩小于 40%的條件下，應該盡量減少剪力墻，以大開間剪力墻布置方案為目標，使樓層最小剪力系數接近于規范限制。

5 結束語

總之，當高層剪力墻的設計存在缺陷時，將會嚴重影響到剪力墻結構和整體建筑結構的安全性、穩定性，因此，建筑單位十分重視高層剪力墻結構的優化設計。通過分析高層建筑的實際狀況，并根據相關的規定對高層剪力結構進行優化設計，不僅能夠顯著地提高高層剪力墻結構和整個建筑的穩定性，還能夠顯著地降低工程成本，對促進我國建筑行業的快速發展具有非常重要的作用。

參考文獻：

[1] 賀海斌，朱學文.高層剪力墻結構中剪力墻抗側剛度的優化設計研究[J].工程建設與設計，2011（9）：58～61.