高層剪力墻結構優化設計分析

黃治源 廣東中山建筑設計院股份有限公司

剪力墻結構具有強度大，側向承載性強，減震性能高等特點，可以有效解決墻體結構不穩定的難題，現已被廣泛應用于高層建筑物建設工程中。然而就當前施工技術來看，剪力墻施工作業中存在施工困難，材料消耗大等特點，所以對高層剪力墻現有的布局設置進行合理優化就尤為關鍵。在保障高層剪力墻結構符合施工要求的同時，對剪力墻結構進行合理的優化，可以有效加強建筑減震性能進行，提升建筑施工質量，減少施工成本。

一、剪力墻結構設計分析

由于高層住宅的房間面積通常比較小，且分隔墻使用頻繁，使用剪力墻結構可以使建筑外觀統一整齊，有效避免梁柱外漏現象；使室內環境更簡潔，便于裝修。然而結構設計往往在很多情況下無法做到結構平面布局完全合理，例如建筑平面、立面的要求以及考慮戶主在使用中的舒適等情況，使得在設計中無法在邊跨做剪力墻、剪力墻間不能建立梁聯系等諸多影響結構布局的情況，造成施工技術人員在建模期間需多次調整計算，在滿足相應規范的條件下找到更合理的結構模型方案。

二、控制剪力墻結構中的鋼材含量

合理控制建筑物剪力墻結構的鋼材含量，可以大幅節約施工成本，使建筑施工更加經濟環保。所以在對建筑物的剪力墻布局結構進行相關設計時，應結合建筑物基本特點，對建筑物的剪力墻布局結構進行合理設計，并通過相關技術對設計方案的可行性進行計算，并對其進行適當的調整改良，在確保結構符合相關施工要求的同時，有效降低結構鋼材含量，以節省建設施工的開銷。

三、工程概況

采用剪力墻結構的某高層小區建筑，小區平面尺寸約為25.8 米×24.5 米，地上建筑有18 層，設計有1 層地下室，標準層高度為3 米，小區建筑總高度為58 米。同時該小區擁有三級安全建筑結構，四級抗震剪力墻結構，且屬于7 度抗震設防強度的地區工程。該小區采用樁基礎設計結構，為Ⅲ類建筑場地（見圖1）。

圖1 優化前結構平面布置圖

四、剪力墻結構優化設計

結合小區實際情況，并通過對模型配筋等進行具體分析，為了提高高層剪力墻結構經濟性，應縮短部分較長的剪力墻，然而經計算對比原方案發現柱子配筋率增大，且局部位移比超限。此時應及時對施工設計方案進行調整，并對剪力墻布局結構進行相應的內力探討。因短肢墻最小配筋率大，經濟性差，首先去除短肢墻；其次，由于超長剪力墻剛度過大，其余的剪力墻承受的剪力就會很小，所以分割超長墻，同時盡量保證墻柱間能有梁拉結，使結構傳力更合理。重新計算一次，再分析模型中剛心與重心，判斷出平面上部剛度允許降低，然而從結構布局整體進行觀察，可以看出原結構頂上六條剪力墻通過平面外的傳力形式抵抗水平方向的外力變形；因建筑立面要求使用大飄窗，故增加水平向的墻長已不可行，此時發現僅可增加左右兩邊小房間處剪力墻水平向的墻翼長度，通過墻體開洞預留出窗位，改變結構布置與縮短對應剪力墻長度，再復核模型后，柱子配筋率增大，且局部位移比超限問題得到了解決。此優化前后對比，總剪力墻長度縮短了近十米，為優化后總剪力墻長度的約15%（見圖2）。

圖2 優化后結構平面布置圖

該優化方案結合小區具體情況及剪力墻布局結構特點，以設計均勻連續且對稱的剪力墻結構為原則，通過增長局部剪力墻墻體及邊緣長度、增加高層剪力墻周圍部分結構的強度和剛度等方式，極大地增強了剪力墻的減震強度和側向抗風剛度。由于部分高層剪力墻存在墻體形狀不平整、承受壓力不平衡、具有較大扭轉效應等現象，因此該方案通過對高層剪力墻周邊部分墻體結構進行改良，保證剪力墻結構擁有符合建筑施工要求的承壓能力。不過值得注意的是該方案無法完全發揮高層剪力墻的結構性能，所以從經濟節能的角度，應進一步優化該剪力墻結構。適當弱化剪力墻結構內部墻體，并且保證結構的穩固性，可以有效節約成本。通過縮減內置剪力墻長度、去除電梯井筒附近多余墻體的方法，可以使剪力墻布局結構設計的受力大小更合理，保證高層剪力墻結構的相關性能得到有效發揮，并且節約大量剪力墻建設材料。不過該優化方案在一定程度上使高層剪力墻結構剛度變低，因此需要嚴格控制高層剪力墻結構性能指標符合建筑施工要求。在上述高層剪力墻結構優化的基礎上，可根據剪力墻的洞口率、墻體厚度、混凝土等級等相關參數對合理改善設計方案。在盡量不影響高層剪力墻結構側向抗風剛度的情況下，根據建筑結構特點，適當增加剪刀墻的洞口率，可以節省一定的建筑材料，節約成本。值得注意的是，在進行結構設計優化時，如果不對洞口率進行科學合理的計算，可能導致高層剪力墻結構的結構周期及位移增大，將在一定程度上影響高層剪力墻結構的側向抗風剛度，如果高層剪力墻結構的洞口率大于承載負荷，將大幅降低結構的側向抗風剛度，無法保證建筑的穩定性。施工單位應通過合理降低高層剪力墻結構墻體厚度的方法，來減少結構周期和最大層間位移角，增加剪力墻結構的側向抗風剛度，維持結構穩固。在進行高層剪力墻結構優化設計時，須充分考慮以上方案在實際施工中的可實施性，通過科學合理的計算方法，對高層剪力墻結構進行合理優化，減緩剪力墻結構改變引起的地震剪力變化，保證結構的穩固。

五、總結

文章通過結合小區高層剪力墻結構優化設計實例，對高層剪力墻結構進行合理優化設計，極大地節約了建設成本。但是由于該方案在力學結構上存在一定缺陷，因此還存在一定的優化空間，在后續優化施工中，應結合實際情況對該優化設計方案進行適當補充修改，以保證高層剪力墻結構的穩固。