高層住宅剪力墻結構優化設計

屈國紅

（山西省建筑設計研究院有限公司，山西 太原 030013）

1 工程概況

本工程為山西太原市某住宅小區高層剪力墻結構，地下2層，地上30層，其中-2層使用功能為人防，房屋結構總高度90.3米。設防烈度8度 （0.20g），地震分組二組，場地類別Ⅲ類，特征周期0.55s，抗震等級一級。

2 剪力墻的布置

2.1 剪力墻平面布置原則

剪力墻布置宜遵循均勻對稱的原則，減少結構樓層質量中心與剛度中心的偏心，從而減少結構由于扭轉效應增加的配筋。在滿足結構各項整體指標的前提下，本工程除住宅平面的樓電梯間周圍集中布置剪力墻外，其余平面中部的剪力墻不宜布置過多。一般控制結構扭轉和層間位移角的位置均在平面的周邊和角部，故本工程適當加強了平面外圍的剪力墻布置。通過計算結構周期比為0.59，抗扭剛度較強，結構布置較為合理。

2.2 剪力墻布置的長度與厚度

1）剪力墻不是布置的越多，結構就越穩定安全，實際上剪力墻布置越多，結構自重和剛度越大，地震作用力就越大，進而導致一系列構件配筋的增大。本工程對于端部剪力墻長＞8m的用洞口分成雙肢墻，從而在滿足結構各整體指標的前提下減小結構吸收的地震力。剪力墻布置的數量合理經濟與否還可以通過層間位移角指標來進行判斷，本工程通過計算層間位移角為1/1019，滿足規范1/1000的最大限值，且較為經濟。2）常有設計人員為了迎合建設單位對含鋼量的要求，為了應付顧問咨詢單位的優化，對較高的 （高度＞60m）高層建筑，機械地控制剪力墻高寬比，例如墻厚200mm時，大部分剪力墻長取值1650mm或1700mm，此時由于墻肢兩端需要設置邊緣構件，連梁配筋也大于墻體配筋，同時開洞處還需二次結構后砌墻，最終不一定經濟。本工程處于高烈度區且房屋較高 （高度＞60m），優先布置一般剪力墻，減少復雜形狀，盡量布置為 “L”形、“T”形，有利于剪力墻穩定，在提高抗震性的同時滿足經濟性。3）由于平面南側建筑窗洞較多，剪力墻相對較少，導致底部軸壓比超出規范限值，本工程除對地上1～5層南側平行于X軸的墻體加厚為250mm，其余均為200mm。既滿足規范規定，又保證了經濟性。

2.3 剪力墻的開洞處理

1）過長的剪力墻應開洞口，且洞口尺寸宜使連梁跨高比ln/hb為2.5～5，使其破壞形式實現延性破壞。本工程連梁的跨高比大多為3～5，在加強剪力墻整體剛度的同時適當減小地震時連梁分擔的地震力。

2）本工程由于需要采用鋁膜板施工工藝，同時為了減少二次結構施工帶來的不便和工期加長，需要結構專業配合實現外圍窗洞下墻體也做全現澆的方案。為此結構設計人員對這些墻體與結構主體剪力墻連接處進行了特殊處理，措施為墻體一側和下方分別設置30mm厚擠塑板，盡量減少此部分增加的現澆墻體對結構整體剛度和受力的影響。

3 配筋設計

3.1 邊緣構件的配筋

高層住宅的含鋼量主要由剪力墻的用鋼量控制，其中邊緣構件的配筋量又占比很大。本工程顧問咨詢公司依據 《高層建筑與混凝土結構技術規程》表7.2.14規定，因本結構嵌固端取在基礎頂，故建議各樓層均按-2層各墻肢的軸壓比＜0.2時，對應墻體從上到下均設置構造邊緣構件，但筆者認為規范規定的本意是建立在墻肢底部加強部位截面厚度不發生變化基礎上的。而本工程地下室墻在正負零以下厚度變為250mm，同時地下二層為滿足人防工程需要，還額外增設了部分鋼筋混凝土墻體，且外圍墻體大都不設洞口，所以軸壓比在首層與地下層產生了突變，又由于首層軸壓比普遍＞0.2，考慮到首層對上部結構存在的實際嵌固作用，其為結構重要部位，經過與優化咨詢人員進行討論，最終認可本工程結合首層墻肢的軸壓比來判斷結構底部加強部位是否按約束邊緣構件進行配筋設計。

3.2 短肢剪力墻的配筋

本工程由于建筑使用功能需要，個別剪力墻布置為短肢墻，顧問咨詢方起初建議此類墻體按照一般構件進行配筋，卻忽略了 《高層建筑與混凝土結構技術規程》7.2.2條對短肢墻的配筋構造要求。經過溝通對方同意按照規范要求進行設計配筋。可見作為設計人員應熟悉規范，加強理解應用，對于顧問方提出的一些建議應進行分析判斷，不能盲目接受。

4 關鍵受力部位的加強措施

本工程左右兩個單元通過設置連廊相連，作為平面的凹凸位置，此處樓板傳力明顯不直接，從結構設計概念上判斷屬于關鍵部位、受力薄弱部位。結構設計采取了加厚此處樓板為150mm，雙層雙向貫通配筋的方式。對支撐該處樓板的框架梁鋼筋也做了適當加強。

5 結構的合理選材

5.1 混凝土標號的選取

本工程剪力墻混凝土強度等級為-2～8層C45，9～13層C40，14～18層C35，其余層C30。這樣設計有利于減小剪力墻截面，節省材料，減輕結構自重。

5.2 高強鋼筋的應用

本工程除人防層樓板由于人防特殊要求外，其余結構層樓板均采用了CRB600H高強鋼筋，此種鋼筋的抗拉強度設計值fy為430MP，約是普通HRB400級鋼筋強度的1.2倍，計算結果大多數樓板為構造配筋，比較經濟。

6 結語

結構優化設計的本質是在首先滿足結構安全以及相關規范標準的前提下進行合理地設計，充分發揮材料性能，實現結構經濟性。對顧問咨詢方提出的優化建議，結構設計人員應分析其合理與否。