高层建筑钢板剪力墙结构优化设计

高层建筑钢板剪力墙结构优化设计

摘要：住宅常用的钢板剪力墙结构整体性能好，承载力高，具有良好的抗震性能。但钢板剪力墙结构自重大，墙柱用钢量高。在满足结构安全适用的情况下，

结构优化的目标就是减少剪力墙数量及材料用量，合理布置梁板。本文总结了高

层建筑钢板剪力墙结构优化设计中的注意事项，供同行探讨及参考。

关键词：高层建筑；钢板剪力墙；结构优化；优化设计

Abstract：Residential commonly used steel plate shear wall structure of whole performance is good，high bearing capacity，good seismic performance.But the steel plate shear wall structure from major，high wall column with steel quantity.In the structure safety applicable cases，structure optimization goal is to reduce the consumption of the shear wall quantity and materials，reasonable decorate beam slab.This article summarizes the optimum design of steel plate shear wall structures of tall building considerations，explore and reference for the colleague.

一、高层建筑钢板剪力墙结构类型

第一，薄钢板剪力墙和厚钢板剪力墙。根据高厚比λ的取值，将钢板剪力墙

结构分为：薄钢板剪力墙，λ≥250；厚钢板剪力墙，λ<250。厚钢板剪力墙有很高

的强度和刚度，对于大震情况，有更高安全储备。但是，因为刚度很大，钢板不

易屈曲变形，在中、小地震情况下，钢板的耗能优势不能得到发挥；在大震情况下，钢板要实现屈曲耗能，需要框架柱有足够的刚度，这就需要过度的增加框架

柱的截面，增加成本，造成浪费。随后，基于钢板剪力墙屈曲后强度可达数10

倍的屈曲荷载的机理，逐渐开始研究和应用薄钢板剪力墙。薄钢板剪力墙牺牲了

一部分钢板本身的高刚度和高强度，但是实现了钢板剪力墙的耗能功能。薄钢板

剪力墙目前存在的问题是滞回曲线不够饱满、存在因为反向拉平而出现的捏拢现象。在使用上薄钢板容易出现鼓屈，且噪音较大，会引起人们的不适。第二，加

劲钢板剪力墙。对于加劲肋的设计形式种类很多，主要有横向加劲肋、纵向加劲肋、十字加劲肋、交叉加劲肋等，如下图。对于加劲钢板剪力墙，研究发现决定

其力学特性的主要参数为肋板刚度比η和框架柱柱的弹性刚度β。

其中????为加劲肋截面惯性矩，D为钢板的平面刚度，b为钢板宽度；Ec、Ic、Ac、lc分别为框架柱的弹性模量、截面惯性矩、截面积、计算长度。研究发现，

η的取值决定薄钢板剪力墙的破坏形式。η很小时，加劲肋只能增加平面的刚度

而不能起到平面外屈曲的效果；η很大的时候，加劲肋起到了弹性区隔的作用，

屈曲作用明显，但是η过大，效果没有继续增强。一般认为η的取值应大于5，

小于30。β仅对钢板墙的弹性屈曲荷载和极限承载力有影响，而不改变其屈曲形式。第三，两边连接钢板剪力墙。两边连接钢板剪力墙是对钢板与框剪柱相接的

地方进行切削，相当于在钢板两侧开洞，这样钢板只有上下的框架梁相接。两边

连接的钢板剪力墙只是在功能上可以满足门窗洞口的需求，当初的设计思路是想

降低钢板对框架柱的影响。但是研究表明，这种设计降低了钢板剪力墙的刚度和

承载能力，而且拉力带的面积有限，滞回能力并不理想。其实从某种意义上讲开

缝钢板剪力墙是对两边连接钢板剪力墙的改进。第四，组合钢板剪力墙和防屈曲

钢板剪力墙。组合钢板剪力墙可以增加钢板剪力墙结构的刚度和强度，阻碍钢板

的平面外屈曲，同时增强钢板的抗火性能，同时降低噪音，使用体验更好。但是

混凝土盖板可能会影响钢板的变形耗能能力。于是学者对组合钢板剪力墙进行了

改进，在钢板和混凝土盖板之间设置一定的间隙，同时混凝土盖板与周围框架也

保持一定的间隙，这样可以充分发挥钢板的变形能力，同时约束钢板的屈曲程度。当钢板变形时受到钢板的阻碍，变形得到控制，同时又能通过变形耗散能量。试

验证明该设计能够改善钢板剪力墙结构的延性和滞回能力。这种对钢板屈曲起到

约束作用的组合剪力墙即为防屈曲钢板剪力墙。第五，低屈服点钢板剪力墙。低

屈服点钢板剪力墙是由日本学者提出的一种设计，低屈服点钢板剪力墙的设计思

路是通过降低内置钢板的强度，从而改善剪力墙的延性，增强钢板剪力墙的耗能

效果。低屈服点钢板剪力墙有较为饱满的滞回曲线，同时可以改善钢板对角拉力

场对框架柱影响，降低钢板变形对框架柱产生的弯矩作用。

二、工程概况

某高层住宅小区1#工程结构为钢板剪力墙结构，地下两层，地上十八层，建筑面积：15504?m2。为进一步确保该高层建筑的施工质量下文将结合高层建筑钢板剪力墙结构的特征分析其优化设计的要点内容。

三、高层建筑钢板剪力墙结构优化设计要点

1、把握优化设计原则

高层住宅剪力墙结构优化设计的基本原则可以概括为以下几点：第一，尽量

减少剪力墙的数量；第二，进行各墙肢设计时尽量减少边缘构件数量；第三，用

较少抗侧力构件达到满足抗侧、抗扭刚度设计要求的目的。

2、布置优化

如果说高层建筑钢板剪力墙的结构是按照主轴线来设计的，那么就要考虑到

高层建筑钢板剪力墙的结构是否有抗变形的作用。在设计高层建筑钢板剪力墙的

时候有高度和宽度的要求，要在保证对称的情况下，减少占用空间的墙体和柱体

的情形出现。而且要按照工作人员的设计要求来进行合理地布置，要按照高层建

筑钢板剪力墙的受力能力来进行合理的设计需求，要根据现场的条件和地面来进

行施工，满足国家的条款条例的要求。同时，在设计的图纸上面标注出重点的地

方和位置，保障施工的质量，很好地控制施工质量和材料的使用情况。

3、洞口设置

高层建筑钢板剪力墙洞口设置，应重点考虑洞口截面。一般来说，高层建筑

钢板剪力墙的洞口设置需要结合剪力墙结构的抗震要求进行设计，其截面的设计

通常是越简单越好。同时洞口在整个墙体上的分布也十分规则有序，这都是为了

避免洞口排列混乱造成的稳定性问题。当然，在实际的设计中，高层建筑的剪力

墙也会出现长度问题。对于长度较长的高层建筑钢板剪力墙结构，在进行洞口设

置的时候，应把利用洞口把墙体划分成相等的墙段，每个相等的墙段中应用连梁

连接。这样一来，就可以直接提高整个墙体的刚度，提高整个高层建筑的稳定性。

4、结构调整

对于整个高层建筑钢板剪力墙来说，结构性设计优化的第一步，就是对整个

方案的选择。一方面，要考虑到结构调整时设计方案的科学性，整个结构调整方

案与原有的钢板剪力墙结构是否相适应，高层建筑所处的环境和承重要求，高层

建筑的使用性能要求和功能性要求等方面；另一方面，对高层建筑的钢板剪力墙

进行结构优化时，要注重对整个钢板剪力墙的成本投资控制。在保证施工质量的

前提下，尽量地选择投资低，性价比高的设计方案。对于实际的施工来说，钢板

剪力墙的结构设计不仅要考虑到原有的设计特点，同时还要考虑到不同楼层的不

同优化设计方式。对于每个楼层来说，其受力情况都不同，在进行剪力墙优化设