论高层剪力墙结构优化设计

摘要：随着设计理念的变化和建筑师的不断创新，建筑方案越来越丰富多彩，空中花园、错层结构、跃层户型以及大转角飘窗、隔层露台、大悬挑结构等频繁使用，这就给结构师提出了新的要求，怎样在确保结构安全的前提下，最大程度地实现建筑师的设计理念，同时又使结构布置合理、措施得当、经济指标优良，已成为摆在每一位结构师面前的现实课题。结构的概念设计是优化设计的基础，合理的墙体布置是优化设计的具体方法，良好的技术经济指标是优化设计的最终目的。

关键词：优化设计；概念设计；轴压比；周期比；剪重比；层间位移

1 剪力墙结构优化设计的探讨

在现阶段的房地产市场，民用工程设计一般分为方案设计和施工图设计两个阶段。方案设计由建筑师依据现行相关规范和业主要求来完成，结构设计往往是在施工图阶段，针对既定方案展开并完成设计工作。这样一来，结构设计的质量不仅取决于设计人员的技术水平，也有赖于建筑方案的合理程度。对结构专业而言，一个好的设计应该是安全可靠、技术合理、经济指标优良。如果建筑师对结构知识有相当程度的了解，在方案设计时就会充分考虑建筑方案在结构上的合理性，为结构优化设计打下一个良好的基础。反之，如果建筑师结构知识欠缺，设计方案难免在结构上有不尽合理之处，就会给结构设计制造了障碍，使得设计质量打了折扣。事实上，很多时候，由于建筑师知识的局限性，将非震区、低震区设计方案运用于强震区、或者为了追求立面丰富、造型新颖，使得建筑方案没有顾及到结构上的合理性。基于这种情况，我主张结构师应将设计工作时段前移，在建筑方案阶段就应介入其中，通过与建筑师充分沟通，使得建筑方案能反映结构概念没计的内涵，为最终实现一个高水准的设计奠定良好的基础。

为了将结构概念设计融入建筑方案中，结构师应具备与建筑师及业主良好的沟通能力。在每个工程前期，结构师应善于理解建筑师设计理念及业主要求，结合前期建筑方案，考虑建筑物所处的地域环境、拟建场地地质条件及建筑物抗震设防烈度，运用结构概念设计的知识，与建筑师一起确定合理的结构形式及体形，并最大限度实现建筑师及业主所设想的使用功能及建筑造型。通过沟通让业主理解，设计方案的合理性是结构优化设计的基础，方案的先天不足是优化设计最大障碍。所有不尽合理的结构方案，为了达到国家规定的抗震设防要求及相应的安全性，最终都将付出额外的经济代价，当然也就更谈不上优化了。

在一个独立结构单元内，建筑物平面和竖向形状的规则性及均匀性，对结构经济指标影响极大，规则性、均匀性愈好，经济指标愈好，用钢量愈小。合理的结构平面布置及竖向刚度的连续性是节约工程造价的基础，所以掌握好建筑平面及竖向布置的连续性、均匀性、规则性，控制建筑物的长宽比、高宽比、局部外伸尺寸等指标尽可能满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）（以下简称《高规》）的相关要求，是结构优化设计之根本。如剪力墙平面布置中应尽量可能使抗震墙正交，抗侧力刚度重心和建筑物质量重心尽量重合，竖向布置的抗侧力构件刚度均匀连续，以避免出现薄弱层和地震剪力沿竖向内力传力途径的突变，从而达到减少在地震作用和风荷载下产生扭转效应及其相应的破坏。

优化设计就是剪力墙布置数量及位置与其层数及抗震设防烈度相适宜。所谓的适宜就是指抗震设计的各项参数：轴压比、周期比、剪重比、刚重比、层间位移、层问位移比等与《高规》相应条文要求一致。剪力墙布置的数量与建筑物层数和抗震设防烈度成正比，层数越高、抗震设防烈度越高，剪力墙布置数量就越多，但不是剪力墙数量越多越好。剪力墙的布置数量及其组合形式与结构总体刚度关系密切。如小高层剪力墙结构，由于建筑结构高宽比小，刚度大，抗震墙布嚣尽可能两三间布置一道，用跨高比较大的连梁联系在一起组成刚度较弱的联肢梁，从而降低总体刚度、加大层间位移，达到优化设计的目的。高层剪力墙结构，剪力墙尽可能避免短肢和“一”字型抗震墙，组成“L”“T”字型，均匀布置在平面上，形成较大的筒体，同时尽可能削弱核一t5筒墙体刚度，加强周边墙体布置，组合成合理的形状，达到整体刚度均匀，同时墙体布置应注意墙体刚度重心与平面质量重心相接近，当偏心较大时，可采用加长、加厚较少部分墙体质量来减少偏心。

具体判别的指标有：

（1）轴压比，规范对轴压比的限制是对结构延性的保证。但轴压比过小，则说明结构经济指标较差，宜适当减少相应墙的截面；

（2）刚重比，刚重比是保证高层结构整体稳定性的前提。不满足《高规》5.4.4条下限要求，说明结构刚度相对于重力荷载过小，必须增强结构的侧向刚度，但刚度过大时，则说明经济指标差，宜适当减小墙的截面；

（3）剪重比，限制各楼层最小水平地震力，确保长周期下结构的安全。剪重比不足，说明结构的刚度相对应水平地震剪力太小，应加大截面，但过大，则说明结构经济指标较差，应适当减小截面。值得注意是，在《建筑抗震设计规范》（GB50011―2001）5.2.5条，要求剪重比不足的层，地震剪力按不足规范的比值进行各层调整，而《建筑抗震设计规范》（GB50011―2010）5.2.5条条文说明中，是按底层不足的比值全楼层进行调整；

（4）周期比，是为限制结构的扭转效应。周期比不足，说明结构的抗扭刚度相对于结构抗侧刚度太小，扭转效应太大，结构抗侧力布置不合理，应调整；

（5）层间位移角及层间位移比，控制层间位移，实际上是对构件截面大小、刚度大小的一个宏观控制指标。其目的是为了保证主结构在弹性受力状态下应具备一定的刚度，避免由于过大位移而使结构产生影响使用的裂缝及非结构构件的损伤。层间位移角应满足《高规》要求，但位移角过小时，说明结构经济指标差，以适当调整。层间位移比是限制结构的扭转效应，位移比不满足，说明结构的刚心与质心偏心较大，扭转效应大，结构抗侧力构件布置不合理，应调整；

（6）刚度比及层问受剪承载力比，其限值是为控制结构竖向布置的规则性，避免结构刚度或楼层抗侧结构受剪承载力沿竖向突变从而形成薄弱层的指标，对形成薄弱层的地震剪力应按《高规》3.5.8条予以调整。实际操作中，上述各项指标是相互关联，相互影响，将各项指标均调到高规相关要求就是我们完成优化设计的具体方法。

抗震墙设计的总原则是“强墙肢弱连梁”，连梁应具备较大的延性和耗能能力，但普通钢筋混凝土连梁尤其是跨高比小的连梁不能满足延性连梁的要求，现在研究人员提出多种改进方案，如两端配置钢筋销栓连梁、钢连梁、钢骨混凝土连梁、矩形钢管混凝土连梁等，当跨高比较小的连梁超筋时，目前最常用方法仍为开缝连梁或双连粱处理。连梁与墙体也应匹配，匹配的好，几乎无超筋。

对底部有商业功能的高层建筑，应根据商业价值，合理选用商住楼结构形式。选用结构形式时，应首先根据周边环境评价商业价值的大小。无庸置疑，框支剪力墙的造价远高于纯剪力墙结构，所以当有条件将商业功能设置在框架结构裙房内，而将高层剪力墙全部落地至基础，把商业部分的管理用房设置在高层内应为最优结构方案；当作为大商业使用价值不太高时，可采用双跨或三跨开间的抗震墙结构，作为一般小型商业使用，纯剪力墙结构也成立。只有当商业使用价值很大，带来的经济价值远大于采用框支抗震墙结构带来的建筑造价的提高，才选用框支抗震墙结构。

框支抗震墙结构优化设计，首先是转换层的优化，转换层的刚度和重量不宣过大，能用梁转换的不宜用厚板转换，空腹桁架的转换优于实腹转换梁。第二通过调整过渡层轴压比、周期比、剪重比、层间位移角及层间位移比等主要参数使上部剪力墙的刚度与其层数及抗震设防烈度相适宜，尽最大可能减小转换层上部剪力墙的刚度和自重，为加强转换层下部刚度、改善转换层处的内力突变提供有利条件。同时加强转换层下部竖向构件的刚度，为实现抗震墙为第一道设防，框支部分为第二道设防，必须配置有一定比例的抗震墙至上而下贯通至基础，其数虽必须满足承担侧向抗倾覆地震弯矩的50%以上剪力墙尽可能使用核芯筒、楼梯间的墙体，当仍然不足时，可另外在布置一些剪力墙，并采用适当加大落地剪力墙下部厚度和提高混凝土强度等级等一系列措施，以增加下部各层刚度，使转换层上、下等效刚度比接近。

2 结束语

总而言之，优化设计不是以降低结构安全为代价，盲目减小截面及配筋去追求经济指标，而是结构师根据工程特点，依靠自己的技术水平，通过概念设计及一系列合理的技术措施，使得建筑安全可靠，技术合理、经济指标优良。优化设计应成为每一位结构师的习惯和追求。