高層板式住宅建筑剪力墻結構的優化設計分析

【摘要】剪力墻是重要的建筑結構受力構件，尤其是對于板式住宅建筑這類對安全性、抗震性能、強度等具有更高要求的建筑。本文主要研究板式住宅高層建筑剪力墻結構優化設計的原則和策略，并結合具體案例進行分析，旨在不斷提高剪力墻結構設計的合理性、可靠性，進一步提升我國板式住宅高層建筑的設計質量。

【關鍵詞】板式住宅高層建筑;剪力墻;結構優化設計

我國板式住宅高層建筑多為鋼筋混凝土結構，而剪力墻結構由于其整體性強高、抗震性能好、高強度等特點，應用最為普遍。對剪力墻結構進行優化設計能進一步保證建筑在使用過程中的穩定與安全，延長其耐久性。觀察現有的板式住宅高層建筑建設，對剪力墻的設計還達不到精細化設計的標準，在結構設計上仍存在較大的優化空間，因此有必要對剪力墻結構的優化設計進行具體分析。

1、板式住宅高層建筑剪力墻結構的優化設計原則

（1）通常情況下，剪力墻的布置要盡可能沿著建筑的中心軸雙向對稱布置，盡量控制兩個方向剪力墻的側向剛度比在規范容許范圍內，從而有效提升剪力墻結構的整體抗震性能[1]。（2）剪力墻應拉伸對齊，保證剪力墻的留孔與窗口有效銜接，增強建筑整體的工整、美觀。剪力墻墻肢和連梁受力計算分析需精準可靠，計算出剪力墻的受力狀況，為進一步結構整體計算建立良好基礎。（3）剪力墻在豎直方向上應貫穿整個建筑物，在不同高度位置，對所用的混凝土標號要求也不同;選取相對應的標號并有效控制剪力墻的剛度突變，防止建筑受外部荷載影響時引起應力集中。（4）剪力墻洞口與墻邊間不應形成小墻肢，小墻肢肢長的設計應按照大于三倍墻體厚度的原則，并加強暗柱的設計[1]。（5）長度較長的剪力墻上應設置分布合理的洞口，可將剪力墻分成多段，使用弱連梁進行連接，最大限度保證每一段墻體的高度與其自身截面高度的比值不小于2。長度較短的剪力墻產生裂縫的概率較低，此種情況下，剪力墻的配筋能充分發揮作用，因此剪力墻截面的高度一般要求不大于8米。（6）在板式住宅高層建筑中，應優先設計長墻，其次采用長短結合的剪力墻搭配布置，避免所有剪力墻均設計成短肢剪力墻。若確實需要設計短肢墻，應增設翼緣。當整體結構中短肢剪力墻布置較多時，可選取合適位置設置普通長墻，與短肢剪力墻相結合，提高抵抗水平荷載的能力。（7）在剪力墻設計中，應盡量減小剪力墻平面外彎矩，通常可采用加設扶壁柱或垂直墻肢的方法減弱或平衡剪力墻平面外的彎矩 [2]。截面較小的柱、梁，可使用鉸接法設計，釋放平面外的彎矩。（8）梁柱設置的位置要避開連梁，其原因是一旦柱梁的端部未達要求，連梁機械強度不足、不能抵抗平面外彎矩，就容易造成連梁平面外開裂。

2、板式住宅高層建筑剪力墻結構優化設計策略

2.1為后期建筑改造升級留有足夠的安全儲備

在進行板式住宅高層建筑剪力墻結構設計時，要為后期升級改造留有一定空間，在剪力墻的強度和受力性能滿足要求的基礎上，為門、窗洞口留下足夠的位置，便于門窗設計。洞口的預留要按照建筑設計要求進行，杜絕隨意打孔，避免后期重復性的開洞和補孔。對剪力墻上孔洞的位置需提前規劃，可將剪力墻用洞口分成幾個墻肢，使門窗位置均勻的分配在每個墻肢中間。

2.2合理設計剪力墻平面布置

剪力墻平面布置的要點主要包括：（1）保證設置的剪力墻平面均勻、對稱，盡量讓剪力墻的質量重心與整個結構的剛度中心重合或接近，以此來減小結構的整體扭轉;并宜將內外墻對齊、拉通[3]。（2）抗震剪力墻的設計要選取在結構兩側設置剪力墻的方案，僅在結構一側設置剪力墻的方案應予排除。（3）保證剪力墻的設置沿中軸線對稱。（4）剪力墻的剛度不能太剛，在保證其抗側力性能滿足要求時還需具備足夠的延性。具體設計中，常使用周期 公式進行計算，其中n表示剪力墻的層數。使用上述公式能夠計算出剪力墻剛度的范圍區間，保證其剛度與層數相符合，以提升剪力墻結構的整體剛度和承載能力。

2.3對剪力墻的墻肢進行適當處理

剪力墻的設計要保證其具備一定的延性。被用于板式住宅高層建筑的剪力墻高度較大，因此要保證設計的剪力墻具備較好的延性變形能力。長度較大的剪力墻可在墻體內開洞，將其分成多個均勻的墻肢。此種做法能有效降低墻體開裂的幾率，即使在使用過程中開裂也不會形成較大的裂縫，可將剪力墻中鋼筋的支承作用最大程度的發揮。長墻肢在地震作用下很容易受到破壞，若剪力墻的長度大于8米，就應采取開洞處理的方式將長墻分割成多個連體墻肢，減輕地震作用對墻體帶來的破壞。

2.4合理設計剪力墻的邊緣構件

剪力墻的邊緣構件主要分為兩種類型，即構造型和約束型。在設計剪力墻時，要根據墻體的軸壓比和抗震等級設計相應的邊緣構件。構造邊緣構件主要適用于建筑底部加強部位和四級抗震等級的剪力墻中。當底部加強部位與相鄰上一層墻體間的軸壓比大于等于規范規定的限值時，需要設計約束邊緣構件。

2.5設計科學合理的轉換層

在地震力作用下，建筑底部的剪力墻會承受較大的地震荷載，在較大荷載的作用下，處于底部轉換層的剪力墻的承載能力會下降。因此在設計中，要合理設計轉換層，當剪力墻的承載能力較小時應對其采取加強措施，以提高剪力墻的抗震承載能力。因此在轉換層設計時，要加強墻柱的內力計算和構造措施，增強轉換層構件對地震剪力的分配能力，提升轉換層的延性。

3、案例分析

某板式高層住宅，地上30層、地下一層，總高度為89.9米，總建筑面積達13980平方米，設計的抗震設防烈度為8級。該建筑地上30層的結構平面統一設置。豎向剛度變化主要受混凝土強度和構件截面的大小影響，不宜進行頻繁變化。但變化的次數少又會導致每次變化的幅度過大而影響剪力墻的剛度。最后，采取按照樓層自下而上逐漸降低混凝土強度和減小截面的漸進布置方案。具體情況如下：混凝土：1到14層，梁、板部分設置為C35，其他為C30;墻、柱的部分1到7層為C40，8到19層為C35，其他為C30。墻體截面：1到5層為300mm，6到13層為250mm，其他為200mm。經過多個方案的對比研究，墻體截面最終選定將1到3層的剪力墻厚度優化為250mm，保證平面中橫縱兩個方（下轉84頁）（上接82頁）向的剛度大致相同，如圖1。

具體的計算參數如下：混凝土和鋼材的容重分別設置為27.0kN/m3和78.0kN/m3，建筑中使用的主筋、箍筋、墻分布筋等的強度均設置為360N/mm2。連梁剛度折減系數為0.55，活荷載質量折減系數為0.5，周期折減系數為0.9，結構阻尼比為0.05，結構特征周期為0.35s，最大多遇地震與罕遇地震的影響系數分別為0.16、0.9。設計時，采用PKPM系列軟件對各個方案進行對比分析，主要關注樓層側移剛度、地震反應力、層間位移角等信息，最終選取上述方案。此外優化工作還對各方案的混凝土和鋼筋使用情況進行對比，最佳方案的混凝土、鋼筋使用量分別為0.4025m3/m2和44.3069kg/m2，該方案的材料用量較其他方案具有明顯優勢。該優化方案還對建筑層數進行調整，如表1。對高寬比的變化進行研究分析，觀察高寬比與混凝土、鋼筋含量之間的數量關系，得出高寬比增加會導致混凝土用量線性增加、鋼筋用量的增加速率逐漸減弱的結論。

結論：

高層板式住宅建筑在實際工程建設中的比重越來越大，為保證業主的居住安全，進行高層板式住宅建筑剪力墻結構的優化設計非常必要。在剪力墻結構設計中，要嚴格按照相關規范和規程的要求進行，重點分析鋼筋、混凝土等經濟指標，把握剪力墻結構優化的關鍵點，具體問題具體分析。并不斷總結實際工程中剪力墻結構優化設計的經驗，不斷提升高層板式住宅建筑的設計質量，創造更大的社會效益。

參考文獻：

[1]林隆煜.板式住宅高層建筑剪力墻結構優化設計探討[J].科技視界，2018（32）：206-207.

[2]周甫.高層住宅剪力墻施工技術探討[J].智能城市，2018，4（19）：77-78.

[3]朱金坤，劉斌，賀星新，等.高層剪力墻結構住宅設計及其優化對策[J].居舍，2018（28）：104.

作者簡介：

楊宏偉，1983.10-，皖霍山，碩士研究生，工程師，結構工程專業;

丁翠霞，1982.4-，皖長豐，本科，工程師，土木工程專業。