剪力墙结构的优化设计

剪力墙结构的优化设计

【摘要】剪力墙结构在满足计算结果前提下，如何进行结构整体优化，使其降低工程造价。

【关键词】剪力墙；短肢剪力墙；刚度；阵型；周期

1、引言

一般的高层住宅多为剪力墙结构，本人通过几年实际工作发现，采用相同的建筑平面方案，不同的结构墙体布置对其工程造价影响很大。本人曾参加过某小区的设计投标，建设单位要求设计院进行初步计算并报出每平方米的用钢量。该小区有18层及10层住宅，抗震设防烈度为7度，场地类别为ⅱ类。我院给出的含钢量为

47kg/m2，而参加投标的另两家给出的含钢量为46kg/m2 及

55kg/m2。经查看另两家设计院的图纸，墙体布置是造成结果相差悬殊的主要原因。

现实中有很多地产商要求设计单位为其节省工程投资，要求含钢量不得超过多少等等。作为一名结构设计工作者，如何满足甲方要求，同时又能执行好国家各项设计规范，使得结构设计经济合理，是值得我们用心去思考的。

2、结构概念设计

《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）规定：高层建筑结构不应全部采用短肢剪力墙结构。短肢剪力墙较多时，应布置墙体（一般剪力墙），形成短肢剪力墙与墙体（一般剪力墙）共同抵抗水平力的剪力墙结构。抗震设计时，筒体和一般墙承受的

第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50%。

设计中应使结构竖向和水平向都具有合理的刚度及承载力，尽可能将剪力墙的墙肢截面高度（至少保证一肢）做的比8倍墙厚稍大，符合一般剪力墙要求。剪力墙尽可能设计成“l”、“t”形有利于剪力墙结构的稳定性，同时能够形成较好的侧向刚度。根据工程经验，对于“l”形、“t”形剪力墙，当一个方向的墙符合一般墙要求时，另一个方向的墙肢不宜过短，较小的墙肢常常会出现较大的配筋，一般宜控制在0.8m左右，尽量使墙端暗柱配筋接近构造配筋。参见图l。

3、设计计算原则

剪力墙结构设计时，应根据规范要求综合考虑结构是否合理，比如说剪力墙结构刚度不宜过大，应以规范规定的楼层最小剪力系数为基准，使计算结果接近规范限值（不小于限值），同时要使楼层层间最大位移与层高之比满足规范比值。其次，考虑剪力墙底部加强区的轴压比是否满足规范要求，剪力墙连梁是否超限等。要控制好结构扭转为主的第一自振周期tt与平动为主的第一自振周期ti 之比，a级高度的剪力墙结构不应大于0.9；在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍（一般情况宜控制在1.2左右，特别不规则平面也宜控制在1.4以内）。

以下再分析一下剪力墙结构设计中需考虑的结构计算指标。

3.1 楼层最小剪力系数（剪重比）的调整原则：在满足建筑平面使用功能前提下，尽可能少布置剪力墙，以大开间剪力墙布置方案为目标，使结构具有适宜的侧向刚度，使楼层最小剪力系数接近规范限值（不小于限值），可有效地减小地震作用。

3.2 楼层层间最大位移与层高之比（位移）的调整原则：剪切变形的控制是以竖向构件的多少来决定的，但竖向构件足够多（剪重比偏大），则会造成扭转变形过大，同样不能满足层间位移的要求。因此，对于高层建筑应尽可能使扭转变形最小，而不能仅根据层间位移不够不断地增加竖向构件的刚度。

在实际工程设计中常常遇到如下情况：一些设计人员看到某一方向（x向或y向）层间位

移不满足规范要求，于是不断地增加该向的侧向刚度，这样做虽可以解决问题，但此时结构的剪重比过大，超出规范限值，这时就应当减小对应一侧的结构刚度，使其剪重比减小，地震作用减小，同样也可以达到较好的效果。

3.3 结构扭转为主的第一自振周期tt与平动为主的第一自振周期t1之比（周期比）的调整原则：震害表明，平面不规则、质量与刚度偏心、抗扭刚度太弱的结构，在地震中破坏严重，因此应保证结构具有足够的抗扭刚度。结构的扭转效应应从以下两方面加以限制：首先，限制结构的平面不规则性；其次，限制结构的抗扭刚度不能太弱。

在实际工程设计中，应将结构竖向构件尽可能沿建筑物周边布

置，这样可以大大的提高结构的抗扭刚度，若在结构形心附近增加竖向构件，则对侧向刚度的贡献大而对结构整体的抗扭刚度贡献小。参见图2。

3.4 在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移比（位移比）的调整原则：、当计算结果一向（x 向或y向）位移比需调整时，可以加大该侧的抗侧力构件刚度（增加剪力墙或加大连梁高度），也可减小对应一侧的抗侧力构件刚度（减少剪力墙或减小连梁高度），这两种方法都可以达到调整的目的。

3.5 剪力墙连粱超限的调整原则：剪力墙连梁的跨高比不宜小于2.5.跨高比小于2.5的连梁容易出现剪力和弯矩超限。《高规》规定剪力墙长度不宜大于8m，当长度大于8m时宜采用弱连粱将其分开，跨高比不小于5的连粱宜按框架粱进行设计。

4、地基基础设计

高层建筑往往由于结构埋深要求，时常会带有地下室，如果地质条件较好，可以采用天然地基或复合地基，当建筑层数为十层左右时，一般采用梁板式筏形基础较为经济（因为平板式筏基会因为剪力墙间距较大而造成筏板受力不均匀而增加板厚）；当建筑层数为二十多层时，一般采用平板式筏形基础较为合理（以上基础形式的确定主要是和剪力墙的间距有关）。

若工程地质条件不好需采用桩基础，可根据单桩承载力特征值的大小，对于小高层采用独立桩基承台加构造梁板；对于高层则采用

沿墙下承台梁布桩加构造底板。

5、结语

高层建筑剪力墙结构应用非常广泛，有时间应进行反复的优化设计，在重视概念设计的前提下，认真调整各项技术参数，使结构达到相对较优的结果，只有这样，才能既保证结构安全合理又能减少投资，这是我们每一位结构设计人员应尽的职责。

参考文献：

[1]《高层建筑混凝土结构技术规程》（jgj3-2010）

[2]《pkpm satwe用户手册及技术条件》（2011年版）