高层剪力墙结构设计探讨与经济性优化分析

高层剪力墙结构设计探讨与经济性优化分析

探讨剪力墙结构墙体的平面布置，设计基本原则，计算过程应控制的指标，结构的经济性分析

标签：剪力墙结构；平面布置；控制指标；经济性分析

剪力墙结构作为高层建筑中的主要结构形式，被广泛运用于现代高层建筑，尤其是高层住宅，笔者结合自己十多年来所做的剪力墙结构设计就此类结构体系的设计做几点初步的探讨。

1、剪力墙结构的特点及合理的平面布置

剪力墙承受竖向荷载及水平荷载的能力都较大。其特点是整体性好，侧向刚度大，水平力作用下侧移小，侧向变形的特征为弯曲型，由于没有梁柱等外露与凸出，便于房间内部布置。从结构内力层面分析，剪力墙的整体内力与墙截面尺寸无关，与墙和连梁刚度以及墙体的布置有关。剪力墙中连梁线刚度与墙肢线刚度比越大，连梁的弯矩和剪力越大，相应的剪力墙的弯矩和轴力越小，剪力墙剪力之和与整体剪力相同。短肢剪力墙由于刚度较小，反弯点在层间，因此对地震作用不利。连梁与框架梁要求不同，连梁传递水平力为主，小震不坏，大震必坏。剪力墙连梁刚度对墙肢弯矩和轴力的影响图见下方附图一。

剪力墙结构中墙体宜沿主轴方向双向布置，平面布置应尽可能均匀，对称，尽量使结构的刚度中心和质量中心重合，以减少扭转效应。墙宜自下而上连续布置，避免刚度突变，门窗洞口宜上下对齐，成列布置，形成明确的墙肢和连梁。墙体的形状要尽量简单，以“一”字长墙，“L”和“T”形长墙为主，减少短肢剪力墙（墙肢截面的高厚比5-8）的设置。另外外墙宜尽量全做混凝土墙体，防止外墙开裂渗水；也可以在外墙的剪力墙垛间设构造混凝土墙体，即用低标号混凝土二次浇筑，此墙体内仅设置抗裂钢筋。

2、剪力墙设计基本原则

结构设计问题归根结底是材料力学与结构力学的问题，建立合理的力学模型分析结构行为规律是预测结构行为和危机以及采取相应的设计措施的基础。剪力墙的作用：满足中荷载强度，满足大荷载刚度。从变形的角度：剪力墙抗侧移能力越大越好；从地震响应的角度：剪力墙越柔越好（T大地震相应小）；从抗震耗能角度：剪力墙截面高厚比控制在合理范围内，不要太多短肢剪力墙，高厚比太大耗能也不好（墙中间部分没有从分变形耗能），由连梁连起来的最好；考虑大震的规则性：竖向刚度比和扭矩定性规定：在满足建筑使用功能的前提下，初步布置尽量规则；考虑温度应力的剪力墙最大距离控制：尽量不要布置端部。高烈度区考虑地震相应的刚度控制：T越小，地震响应越小；考虑大震的规则性定量计算优化布置；计算确定剪力墙内力：弯矩、扭矩、剪力；根据破坏控制设计内力，最后还要考虑抗震耗能控制边缘和约束和其他配筋构造要求等。

3、计算过程应控制的指标

1）位移比：《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）3.4.5条规定在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移，A级高度高层建筑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；

2）周期比：《高规》3.4.5条规定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，A级高度高层建筑不应大于0.9；

3）刚度比：《高规》3.5.2条规定剪力墙结构本层与相邻上层侧向刚度比值不宜小于0.9，此刚度比为考虑层高修正的楼层侧向刚度比；

另外《高规》还对轴压比，剪重比，刚重比等指标做了要求。

4、结构的经济性分析

一般建设单位对高层住宅的经济性指标主要是单位面积的钢筋用量有较高的要求，经过在剪力墙结构设计过程中不断总结，发现以下措施对剪力墙结构的经济性指标有较好的影响。

1）合理控制层间位移角：即降低地震效应，控制在1/1100左右，不必刻意追求此指标，关键是合理的结构布置；

2）合理设置墙厚：剪力墙的厚度主要由墙体的稳定及轴压比控制，墙厚越大，边缘构件及墙体的构造配筋就越大；

3）连梁纵筋不可随意放大，因连梁是抗剪为主，纵筋放大既浪费钢又造成结构不安全。

4）墙体的形状尽量简单：墙体形状复杂且墙肢短，边缘构件就多，剪力墙用钢量与其单位长度内的边缘构件所占比例成正比；

5）梁的设置原则：可设可不设的不设，减少梁的数量，有时可以避免因加梁而形成的对连梁的集中荷载及对墙体的平面外弯矩，对于楼板可以适当加大厚度（建筑隔墙下不设梁时，在进行地震效应计算时，墙体荷载可平摊在砌筑墙下的板块上；在进行楼板计算时，墙体荷载按荷载规范折算）；

6）钢筋的选用：对于剪力墙暗柱构造边缘构件钢筋要选用规范规定的最小值，不随意放大；约束边缘构件的箍筋可采用三级钢，加大钢筋强度设计值可减少钢筋用量。

7）基础为筏基时，筏板厚度取值除满足规范要求及受力要求，宜使计算配

筋绝大部分为构造配筋，剪力墙门洞宽度小于2倍筏板厚度时候，其下可不用设地梁。

小结：

结构工程师在工程中肩负着保证土建工程的“安全、经济”的责任，要求工程师做结构设计时需从结构布置、构件和材料等因素对结构安全贡献系统分析。根据分析结果排序，熟练的运用结构基本理论解决结构设计问题。安全控制依赖于结构工程师在结构行为的熟悉的基础上采用合理的措施，这样才能做到安全和经济。而在剪力墙结构设计中，合理的结构平面布置无疑是至关重要的，只有结构的合理布置，才能得到较好的计算指标以及理想的经济性。

参考文献：

[1]罗宇.高层剪力墙结构要点探究与分析[J].中国房地产业.2015.11