关于高层剪力墙住宅结构优化设计的思考

　　摘要:对于现阶段开发量最大的高层剪力墙住宅设计，研究了从剪力墙墙体及梁板构件布置、结构合理计算分析及调整方法、结构构造措施优化等多方面控制结构成本的方法，并对计算分析中连梁超筋的处理、含少量框架柱剪力墙结构的剪力调整等问题提出了自己的看法。

　　关键词: 剪力墙及梁板结构布置;合理计算分析;构造措施优化;混凝土用量;用钢量;结构用量成本控制

　　Abstract: for the present the biggest high-rise shear wall back hurriedly residential design, from the shear wall wall and the beam plank layout, reasonable structure calculation component analysis and the adjustment method, structural optimization measures many aspects such as the method of cost control structure, and the calculation and analysis of LiangChao jin the processing, even with a small frame shear wall structure column of the shear and adjust the author puts forward his own ideas.

　　Keywords: shear wall beam slab structure and layout; Reasonable calculation analysis; Structural measures optimization; Concrete consumption; Steel quantity; Structure dosage cost control

　　中图分类号：TU398+.2 文献标识码：A 文章编号：

　　引言

　　随着国家房地产政策和住宅产业化政策的推进，土地的稀缺性越来越突出，建筑均向高空化发展。高容积率的高层住宅小区也成为量大面广的普遍的住宅形式。而在高层住宅的各类结构体系中，剪力墙结构的经济指标性、抗震性能均比较突出，因而成为高层住宅中最主要的结构形式。地产开发商从经济角度出发，为了控制成本，多数会在设计合同或合同附件里提出结构用钢量及混凝土用量的上限要求。如何在确保在保证结构安全及实现建筑使用功能的前提下，将有限的结构材料及资源配置到能充分发挥其作用的关键部位，在不降低结构安全冗余度的情况下优化结构设计，做到安全可靠、技术可行、经济合理成为结构工程师重点关注的区域。

　　1 结构布置

　　1.1剪力墙布置

　　根据经验统计，在高层剪力墙住宅标准层单位面积含钢量中，剪力墙墙身用钢量约占总用钢量的40%~65%，剪力墙边缘构件用钢量约占30%~50%(该统计数据为8度抗震设防区北京的数据，以下同)，因此剪力墙布置方案的优劣直接关系到整个结构的经济性指标。剪力墙布置的基本原则是：合理减少剪力墙数量，在满足建筑条件下合理控制剪力墙长度，做到剪力墙布置均匀，且各墙肢布置时应考虑合理减少减少边缘构件，以期通过布置较少的抗侧力构件获得满足规范要求的抗侧、抗扭刚度。具体措施如下：

　　(1)控制剪力墙墙肢长度(长度≤8m)，布置均匀，少短肢剪力墙

　　仔细研究建筑条件，在保证竖向及水平承重情况下，要精心选择对结构承受水平及竖向荷载有利的隔墙位置剪力墙，尽量拉大剪力墙的布置间距，把剪力墙间距控制在4.5m~6m，避免在较小的间距内布置多道剪力墙。严格控制段肢剪力墙数量，通过加长剪力墙墙肢长度，减少剪力墙数量，使结构整体抗侧刚度增加，边缘构件数量减少，且由于墙间距拉大，增加了建筑平面布置灵活性。为了使剪力墙实现弯曲破坏的延性破坏模式，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(简称高规)7.1.5条规定墙长不宜大于8m。实际上影响剪力墙破坏模式的两个主要因素是剪跨比和轴压比，只要剪跨比大于2，且轴压比满足规范限值，就能够实现延性的弯曲破坏。对高层剪力墙，即便是墙长大于8m，剪跨比一般也会大于2，即能满足延性破坏的需求。但大需要注意的是，在一个结构单元中，布置剪力墙时应布置均匀，避免个别墙肢为长墙，其余均为短墙。因为如果个别墙肢较长而其余墙肢较短时，长墙肢承担总地震力的额度会较大，当其在超过设防地震的作用下首先发生破坏时，其余结构不能起到第二道抗震防线的作用，可能导致结构因个别长墙的破坏而其余构件尚未屈服而发生结构安全问题。所以在高层剪力墙结构中，长墙的脆性破坏不是主要的，内力集中在个别剪力墙上的不良后果反倒应引起足够重视。通常情况下我们可通过在长墙中部设置洞口弱连梁方式分为两个短墙肢，但对于经济性指标非常严格的设计项目来讲设置洞口会增加暗柱数量及施工难度从而增加工程成本。为此提出以下处理方式供设计人员参考：1)若长墙位于结构中部楼电梯间等核心筒附近，其开洞与否对周期比及位移比(即结构的扭转效应)影响较小时，可在结构分析中建立有洞及无洞两种模型分别进行分析，施工图设计时不设置洞口，长墙按无洞模型配筋，其余构件按有洞模型配筋;2)当一个方向的长墙不少于四道且均匀布置时，可按整截面墙进行结构分析及截面设计;3)其余情况应按设置洞口弱连梁方式处理。这样处理，既能保证结构安全，又尽可能地减少造价。

　　(2)强周边，弱中部

　　剪力墙尽可能布置在结构周边外围护墙位置，必要时可利用房间窗台设置高连梁以加强刚度。正常情况下，坚决避免在周圈维护墙上开设结构洞口。在结构中部宜减少剪力墙的布置量(如中部楼电梯间附近)，以便于提高主体结构的抗扭刚度，控制结构的周期比与位移比，周时有利于建筑外墙防水。

　　(3)暗柱布置多L形、T形、十字形墙肢，少复杂形状转折

　　在布置剪力墙时，应考虑剪力墙连续转折及小墙垛布置对边缘构件的影响，减少暗柱数量及避免设置不必要的大暗柱，因墙体转折处必须设置暗柱。电梯并处往往是大暗柱设置区，为此应尽量避免在墙肢中部布置短横墙及小墙垛。

　　(4)结构体系布置多连续，少半框

　　应尽量将结构两个方向的剪力墙通过连梁或框架梁连成整体，形成贯穿整个结构宽度或长度的抗震结构，避免独立墙肢或半框架墙肢出现，这有利于增加结构的整体抗侧刚度，从而以较少的剪力墙布置量来满足层间位移角限值要求。

　　(5)沿高度均匀变化

　　正常情况下，剪力墙厚度应沿结构高度均匀变化，高层剪力墙结构不宜在底部为适应建筑净面积及竖向承重的要求布置大量200mm厚剪力墙，导致轴压比偏高，在上部为控制成本减少剪力墙的设置量，此法会加大层刚度变化，不利于抗震，同时也不一定经济;在结构加强区底部合理设置剪力墙厚度，厚度随结构高度增加均匀变化，此做法还可以适应底部大层高的要求，避免为保证墙体的稳定而人为增加墙厚的情况。

　　(6)各墙肢轴压比宜接近

　　在人工导算竖向荷载情况下，各剪力墙墙肢的轴压比宜基本接近并尽量靠近相应结构抗震等级轴压比限值，这样一来，各墙肢承受竖向荷载值相近，说明剪力墙布置较为合理。也可以避免通过连梁或框架梁来调整各墙肢的轴向变形差，使梁配筋量增大，且可减少剪力墙的布置量及结构自重，尽可能减少地震力。让每一道剪力墙直接发挥其竖向承载的作用，避免由于梁构件出现塑性而使得竖向力发生重分布从而影响结构安全。

　　1.2梁板布置

　　高层剪力墙住宅标准层单位面积含钢量中，梁板的合计用钢量约占35%~60%，所以剪力墙合理布置后，梁板布置也不容忽视。

　　对高层住宅，荷载一般不大，楼板绝大多数均为构造配筋，板厚就决定了楼板用钢量的大小，所以楼板厚度一般按挠度、裂缝及板内设备穿管的最低要求取值，不必过厚，正常情况下，板厚取120mm厚均能满足挠度、裂缝及穿管要求。

　　楼层梁布置时，应保证梁具有简单明确的传力路径，避免多重次梁、多次传力的情况。剪力墙结构中梁的经济跨度一般在3.0~5.0m之间;若非刚度及连接一字形墙的需要，不宜设置高连梁，因梁越高混凝土用量越大，构造配筋越多。建筑的洞口预可设置后浇过梁，再砌梁上填充墙;连接较厚(350~400mm)剪力墙的连梁宽度若非刚度需要不一定与墙相同，这样可以减少不必要的梁构造配筋量及混凝土用量，省下的空间还可满足其他建筑功能的需要。较小跨度(3.6m以内)的板上有隔墙或开有洞口(洞口在1m以下)时，墙位置或洞口边可不设置梁，可在板内设置加强筋的方式予以解决，这样可降低由于设置梁而出现受力复杂或设置梁构造配筋而增加用钢量的情况。

　　综上所述，一个较为合理的剪力墙结构布置应该是“外围墙多布，中部墙间距及长度均匀且长度相近，剪力墙之间有梁连接且加续贯通”;另外应从建筑平面图仔细分析，争取与建筑专业达到双赢。

　　2 结构分析

　　2.1试算分析

　　根据建筑条件通盘考虑结构布置，先建立一个初步的结构模型，该模型以典型建筑平面标准层为基准，根据层数及层高进行简单组装;计算时假定模型中梁两端为铰接，不考虎地震作用及配筋情况下(计算速度快)先求出各楼层墙肢轴压比，以符合“剪力墙轴压比基本接近”的要求，初步估算墙肢厚度;比校计算轴压比及规范规定的轴压比限值，调整墙肢的长度、厚度及混凝土强度等级，并对模型进行修改，此次修改将形成多个标准层，将铰接梁改为刚接梁进行第二次计算，分析计算结果中的周期比、位移比、层间位移角等结构整体计算指标是否满足规范要求。

　　2.2计算调整

　　若层间位移角不满足规范要求，可采取以下措施：查看位移文件以确定哪些楼层位移角超限，一般情况是结构中上部楼层，若超限不多，可通过提高剪力墙变厚度位置加以解决，否则需增加剪力墙的布置量或关键连梁的高度。

　　若周期比、位移比不满足规范要求，可采取以下措施：1)将结构周边程序定义为连梁的梁改为框架或增加连梁高度，以增加结构外围刚度;2)减少结构中部剪力墙布置量及降低连梁高度以增大结构的平动周期而简洁改善周期比、位移比;3)查看结构空间振型曲线，找出位移最大点，在该位置处适当增加剪力墙布置量，再计算以使周期比、位移比、层间位移角满足规范要求。若层间位移角较规范限值富余较多，适应当调整梁布置及减小梁截面，将部分连接复杂的梁改为铰接梁，以降低梁刚度，从而减小地震作用，降低成本。

　　2.3计算中若干问题的处理

　　(1)连梁超筋：计算分析中，个别连梁超筋经常出现。对超筋连梁，加高连梁的方式一般来说收效不大，应扩大洞口宽度或减少梁截面，增大连梁的跨高度，减小该片联肢墙刚度，转移其承载的部分地震力，从而降低连梁内力达不到超筋的目的;对调整的确有困难的梁，若其有他可靠水平力传递路径也可以通过降低梁的弯剪刚度而不减小梁截面的方法进行调整。另外值得注意的是，现行主流设计分析程序仅对两端与剪力墙相连，梁净跨小于4m的梁，跨高比小于5才自动识别为连梁。导致对一端与剪力墙相连另一端与剪力墙端柱(按柱输入)相连的连梁的漏判，以及两端均与剪力墙相连、净跨虽小于4m 但跨高比大于5的梁及两端均与墙垂直相连梁的误判，从而导致刚度折减错误和混凝土强度等级错误(连梁与剪力墙混凝土同等级)。计算时就注意到“特殊构件定义”里修改。

　　(2)剪力墙端拐角处的小墙垛，若非特别要求，计算分析中避免建立此类构件的模型，因计算结果表明小墙垛超筋或配筋较大的现象普遍存在(若因连接较大跨度梁造成计算配筋较大就应按实际配筋)，给截面配筋设计带来较大困难。

　　(3)为了避开短肢剪力墙(厚度200mm),将墙长做成1700～1800mm的方式不太妥当，尤其是此类墙在整栋楼中所占的数量较多时，建议该类墙的长度不宜小于2000mm。

　　(4)对与墙垂直相交的梁，若墙体厚度不足以锚固梁支座钢筋时，应采取附加锚固措施，若有可能设计为铰接节点。

　　3 构造措施

　　3.1 墙配筋

　　(1)对带翼缘的边缘构件为计算配筋且配筋量较大时，建议用“剪力墙组合配筋”重新计算该边缘构件，该边缘构件总体配筋会减少25%以上，计算初值选默认的构造配筋值。

　　(2)对小开口整体墙(墙肢间连梁较高)，因开洞形成的一字形墙可不作为单片墙或短肢剪力墙，在配筋时，洞口两侧仅配构造边缘构件;对L形、T形及十字形墙只要有一个方向不是短肢剪力墙，该墙肢整体不应定义为短肢剪力墙。

　　(3)在L及T形墙中当腹板(短)与翼缘(厚长)不匹配时可放宽对翼缘边缘构件的构造要求，对十字形墙的交叉部位也仅需按构造要求设置暗柱。

　　(4)墙厚大于300mm的单片短肢墙可不定义为短肢剪力墙，可按一般剪力墙或框架柱的相关构造要求执行。

　　(5)当剪力墙混凝土强度等级为C50～C60且墙较长时或顶层外墙等温度应力影响较大的区域，为减少混凝土收缩及温度应力引起的裂缝，应加大水平分布钢筋的配置量。

　　3.2 梁配筋

　　(1)高层或超高层剪力墙结构楼层连梁及框架梁由于地震作用的原因，其内力及配筋随高度的变化较大，因此建议在画梁施工图时适当选择归并楼层数。建议视总层数多少按3～6层归并为一层(归并时应注意梁配筋沿高度的变化，不应把配筋差别大的楼层归并到一起)，这样可节约钢材用量。

　　(2)当一端或两端与墙垂直相交的梁计算中为刚接且墙体厚度足以锚固梁支座钢筋时，若地震作用所产生的支座弯矩占总弯矩30%以上时，梁应按框架梁构造，相应剪力墙位置应根据梁端弯矩计算配置暗柱纵筋。

　　4 控制建筑结构成本的措施

　　综合以上，控制成本的措施可归纳为以下几点：

　　4.1采用轻质隔墙材料

　　隔墙尽可能采用轻质墙体，如加气混凝土砌块、轻质墙板等，以减轻荷载，减小地震作用，降低基础造价。暗柱、梁、板采用高强钢筋(如三级钢)，以减少计算配筋量。

　　4.2根据实际情况进行荷载清理。

　　如有大量的门、窗洞口，其墙体荷载可以扣除，明确建筑使用功能以确定活荷载，去掉不必要的荷载。

　　4.3合理的结构布置和精细的计算

　　1)在保证向及水平承重情况下，尽量拉大剪力墙的布置间距;

　　2)剪力墙厚度沿结构高度均匀变化;

　　3)剪力墙之间应有梁连接，避免独立悬壁墙肢及半框墙肢的出现;

　　4)剪力墙的轴压比尽量接近规范限值，以减少剪力墙布置及结构自重;

　　5)在布置剪力墙时，应考虑剪力墙转折及小墙垛布置对边缘构件的影响，以避免不必要的大暗柱设置;

　　6)连接较厚剪力墙的框架梁及连梁的宽度不一定同墙厚，该做法会给建筑功能带来益处;

　　7)在仅考虑竖向荷载的情况下，各剪力墙的轴压比应基本接近，以避免通过连梁来调整各墙肢的轴向变形差;8)层间位移角尽量靠近规范限值1/1000。

　　4.4 严格按计算结果及构造要求配筋

　　模型荷载都准确无误的情况下严格按计算结果配筋，不盲目放大(尤其对剪力墙)，可保证结构安全。

　　5 结语

　　高层剪力墙住宅结构优化的目的不仅仅是为了经济性而经济性，不是一味地都按规范或计算的底限进行设计，而是充分理解规范，充分发挥材料性能。对影响结构性能的重点、关键部位及计算程序不能准确分析或计算模型与实际情况有出入的部分，应重点加强或补充分析，做到有的放矢，突出重点。

　　在建筑设计的方案及初步设计阶段，结构设计人员就应与建筑师密切配合，根据结构概念知识初步确定合理的剪力墙布置，调整建筑方案中不合理的体形或布局，避免不规则或严重不规则平、立面布置。结构优化往往是与各专业密切配合、充分沟通、并综合前述各方面要求，经多方案比较后形成一个优化的结构布置。一个好的结构布置，对房屋建设成本的起到关键作用，再加上后期的精心设计即可得到一个较为优秀的设计方案，从而做到技术先进、安全适用、经济合理、确保质量及满足业主经济性指标设计的要求。

　　参考文献

　　[1] JGJ3—2002高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

　　[2] GB50011—2001建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.